Наука - Служение стихиям не терпит суеты

Наука - Служение стихиям не терпит суеты

Прогнозы Гидрометцентра
Как готовятся прогнозы погоды, которые мы ежедневно видим на экранах телевизоров или слышим по радио.

Метеорология, а именно так называется наука об атмосфере и прогнозах погоды, – это анахронизм, дошедший до нас со времен Аристотеля, автора «Метеорологики» – трактата о небесных явлениях. В те времена считалось, что на небе все изменения происходят в одной природной сфере, а значит, должны изучаться одной наукой. Аристотель подобрал ей название, исходя из греческого слова ta metewra (ta meteora) – «предметы в воздухе». К ним ученый причислял дожди и кометы, град и метеоры, радуги и полярные сияния, гидрометеоры, то есть «предметы», состоящие из воды или льда. Звезды к метеорологии, по мнению Аристотеля, не относились: они считались тогда неподвижными и неизменными.

В Средние века наука о природе пришла в упадок, объяснение природных явлений стало прерогативой церкви. На тысячу с лишним лет прекратилось всякое движение идей в метеорологии, если не считать фантазий астрологов. Была, правда, еще одна своеобразная форма обобщения метеорологических знаний – народные приметы погоды.

В середине XVII века была сделана первая попытка сравнить одновременно данные из десяти городов. Средства на это выделил герцог Фердинанд Тосканский. Данные этой первой метеорологической сети доставляли на лошадях – медленнее ветра, да и использовать их для составления прогноза еще не умели. В начале XVIII века был предложен первый стандарт для ведения записей о метеонаблюдениях. Их стало легче обрабатывать и создавать архивы – накапливать статистику, а затем пытаться использовать ее для прогноза.

Первые прогнозы

С 1725 года недавно учрежденная Российская Академия наук начала регулярные (дважды, а с 21 марта 1726 года – трижды в день) инструментальные наблюдения температуры воздуха, атмосферного давления, направления и силы ветра, облачности, гидрометеоров, гроз, высоты воды, вскрытия и замерзания Невы с помощью созданной в Санкт-Петербурге городской сети метеорологических станций. Вскоре наблюдательные станции стали появляться и в других частях Российской империи. Россия в то время была одной из немногих стран мира, где система регулярных метеорологических наблюдений, сеть станций и служба погоды создавались на образцовом уровне.

В Европе эта идея получила признание несколько позднее. 14 ноября 1854 года ужасный ураган нанес огромный ущерб англо-французскому флоту, блокировавшему Севастополь. Погибло и получило повреждения множество судов, среди затонувших кораблей был и знаменитый «Черный принц», везший жалование английской армии. Военный министр Франции маршал Вальян, узнав, что этот ураган наблюдался накануне в Средиземноморье, обратился к директору Парижской астрономической обсерватории Урбену Леверье с просьбой изучить вопрос. Тот запросил коллег по всей Европе о погоде, имевшей место с 12 по 14 ноября 1854 года, и получил более 250 ответов. Обработав ответы и проследив путь бури, Леверье представил Наполеону III проект большой метеорологической сети для оповещения моряков о приближении бурь. Спустя три дня Леверье при содействии главного директора почт и телеграфов представил Французской академии карту погоды, отвечавшую состоянию всего на несколько часов назад. Через полтора месяца была организована сеть из 13 регулярно телеграфирующих станций. Через два года телеграммы стали приходить из семи европейских столиц, включая Санкт-Петербург. В 1858 году обсерватория ежедневно печатала международный бюллетень.

Всемирная сеть

Погода на Земле напрямую зависит от Солнца. Его излучение нагревает атмосферу и земную поверхность. Из-за неоднородности свойств поверхности Земли нагрев ее происходит неравномерно, возникают перепады температуры и давления, в результате воздушные массы приходят в движение. Дальше в действие вступает множество сложных механизмов, управляющих эволюцией погоды (причем далеко не все из них изучены).

Наблюдения за текущей погодой – фундамент пирамиды прогноза погоды, который складывается из множества кирпичиков: наземные метеостанции, обычные и специализированные корабли, метеобуи, дрейфующие по просторам океана, самолеты и метеоспутники. Ежедневно в прогностические центры с этих наблюдательных систем поступают измерения различных параметров текущего состояния атмосферы. Погода не знакома с политикой и не имеет границ, поэтому метеорологи постоянно обмениваются наблюдениями за погодой. Это то «сырье», из которого в дальнейшем с помощью компьютеров и прогностических моделей получают так называемый численный прогноз погоды, а уже из него синоптики готовят прогнозы на любой вкус: на завтра (срочные), на неделю (среднесрочные) и месяц (долгосрочные). Работа единой глобальной сети наблюдений за погодой координируется Всемирной метеорологической организацией, в которую сегодня входит 187 стран мира.

Покрытие земной поверхности метеостанциями весьма неоднородно, наибольшее количество станций расположено в густонаселенных Европе, Китае и Северной Америке. Однако не стоит забывать, что 2/3 земной поверхности составляет океан, и здесь имеются лишь островные станции, корабли наблюдения за погодой и буи.

В последнее время большую роль в наблюдениях за погодой играют спутники, использующие различные частотные диапазоны. На основе этой информации восстанавливаются данные о температуре (ИК-диапазон), влажности и ветре на некоторых высотах (доплеровские радары и видимый диапазон). Точность этих данных уступает данным с наземных метеостанций, но зато спутники позволяют получать информацию с больших территорий.

В России сейчас действует больше тысячи только наземных метеостанций, которые каждые три часа отсылают свои данные в территориальные метеоцентры, передают их в Гидрометцентр России – один из мировых метеорологических центров во Всемирной службе погоды (наряду с Мельбурном в южном полушарии и Вашингтоном в западной части северного полушария), который обеспечивает сбор данных по восточной части северного полушария.

Компьютерный прогноз

Сами по себе данные наблюдений – это еще не прогноз. После их обработки (распознавание, раскодирование и первичный контроль) проводится так называемый «объективный анализ». Фактически это формирование массива данных о различных метеорологических параметрах (давление, влажность, температура, скорость ветра, облачность) на разных высотах в узлах регулярной широтно-долготной сетки. Название «объективный» сложилось исторически, оно пришло из времен, когда анализ производился «вручную» и сравнивался с компьютерным (последний и называли «объективным»).

Эта объемная «метеосетка» используется как начальные данные для следующего этапа – подготовки численного прогноза погоды с помощью прогностической модели, сложной компьютерной программы, которая решает систему уравнений, описывающих динамику атмосферы, причем с учетом различных физических эффектов, не наблюдаемых в идеальном газе. В прогностической модели учитываются вращение Земли, сила тяжести, солнечное и отраженное от поверхности Земли излучение, фазовые переходы воды и т.д. Полученные решения уже позволяют прогнозировать, как может повести себя погода в ближайшем будущем.

«Численный прогноз – одна из самых сложных вычислительных задач. Для подобных расчетов любых вычислительных ресурсов всегда мало, – поясняет Дмитрий Киктев, заместитель директора Гидрометцентра РФ. – Со временем модели совершенствуются, мощность компьютеров растет – и качество прогнозов улучшается. Например, сейчас успешность прогнозов погоды на трое суток находится на уровне успешности прогнозов на одни сутки 30 лет назад».

Последнее слово

Однако и численно рассчитанная на компьютере модель поведения погоды тоже еще не полноценный прогноз. Эту модель нужно оценить и интерпретировать, и здесь невозможно обойтись без специалиста-синоптика.

На сегодняшний день прогностические компьютерные модели не способны прогнозировать целый ряд погодных явлений. Это связано с тем, что многие погодные явления (в том числе опасные) имеют локальный характер и сложную природу, описать формально которую в настоящее время почти невозможно. По этой причине туманы, гололед и т.п. прогнозируются в основном специалистами на местах, которые хорошо знают условия их образования и развития в конкретном регионе. Но даже после анализа всей доступной информации последнее слово все равно остается за человеком.

Погода в интернете: маленькие хитрости

При составлении прогнозов погоды для «своей» территории местные специалисты-метеорологи учитывают специфику региона и особенности, влияющие на погоду. Поэтому если вы собираетесь в путешествие, то правильнее всего найти сайт метеослужбы той страны, в которую вы направляетесь.

Всемирная метеорологическая организация (World Meteorological Organization) имеет в интернете специальный ресурс, где выкладываются официальные данные национальных метеослужб различных стран (а также их интернет-адреса). Если вы интересуетесь погодой в России, то прогноз на завтра лучше смотреть на сайте своего регионального управления гидрометеослужбы. Если же вам нужно ознакомиться с прогнозом на неделю – стоит заглянуть на сайт Гидрометцентра России.

Сроки: короткие и длинные

Краткосрочные (до трех суток), среднесрочные (на неделю), и долгосрочные (на месяц и сезон) прогнозы имеют разную оправдываемость. Точность прогноза зависит от многих факторов. Например, от текущей погодной ситуации – в некоторых случаях все понятно на несколько суток вперед, а бывает и так, что прогноз на завтра вызывает большие трудности.

Во многих случаях полезно было бы сопровождать прогноз оценками его качества: например, говорить, что сегодня прогноз достаточно надежен или, наоборот, что ситуация неоднозначная и уверенность в прогнозе ниже обычной. К тому же разные метеорологические параметры прогнозируются с разной точностью (например, в целом осадки прогнозировать сложнее, чем температуру). Еще важно, для какого сезона и региона готовится прогноз.

Cрочные прогнозы на один–три дня формируются каждый день, и их точность составляет 90–95% (если говорить о прогнозах на месяц или на сезон, то их надежность гораздо ниже).

Прогнозы на неделю вперед тоже формируются каждый день. Это так называемые среднесрочные прогнозы: когда появляются новые данные наблюдений, на их основе вчерашние прогнозы уточняются. Таким образом, чем ближе к будущему событию мы приближаемся, тем яснее становится погодная ситуация. Еще не «забыты» начальные данные, а уже начинают сказываться внешние условия – потоки тепла, влаги, аномалии температуры поверхности океана.

Более долгосрочные прогнозы (на месяц, на сезон) рассчитываются не так часто – их подготовка требует значительных ресурсов (чем больше срок, тем больше нужно информации). Предсказуемость на этом временном интервале определяется внешними граничными условиями: распределением аномалий температуры поверхности океана, влажности почвы, морского льда и т.д. При долгосрочном прогнозе приходится рассматривать практически всю климатическую систему, в которую входят атмосфера, океан и поверхностный слой суши. Физические механизмы, слабо ощутимые в прогнозах на короткие сроки, в долгосрочных прогнозах становятся важными.

Таким образом, для прогноза на пару дней вперед нужны данные о фактической погоде на территории с масштабами нескольких тысяч километров. А прогноз на неделю и далее требует уже информации о фактической погоде на всем земном шаре. Даже для мощных метеорологических центров расчет долгосрочных прогнозов – достаточно сложная задача.

Несбывшиеся прогнозы

Несмотря на всю сеть метеостанций и суперкомпьютеры, прогнозы иногда не сбываются. Причиной ошибок может быть как недостаток знаний о состоянии атмосферы, так и несовершенство компьютерных программ, учитывающих лишь основные физические процессы, происходящие в атмосфере. «Люди хотят знать погоду совершенно точно и с неохотой воспринимают вероятностные прогнозы, – говорит Дмитрий Киктев. – А для метеорологии более естественна именно вероятностная форма представления прогноза. Часто два альтернативных прогноза оказываются для того или иного региона вероятными в равной мере. В таких случаях стоило бы заранее озвучивать степень надежности – так было бы честнее. Но это заметно усложнило бы восприятие». Впрочем, и сам процесс составления прогнозов не может быть избавлен от «человеческого фактора», ведь на последнем этапе к обработке численных данных подключаются дежурные синоптики. Их задача – внести поправки в расчеты атмосферных моделей с учетом местных условий. Например, жизненный цикл и предсказуемость некоторых погодных явлений (шквалов, ливней) варьирует от минут до часов. А возможности численного моделирования процессов такого рода весьма ограничены.
Сам себе гидрометцентр Задолго до появления метеослужб люди неплохо знали народные приметы, позволяющие предсказывать погоду на ближайшие день-другой по поведению облаков, характеру ветра, цвету заходящего или восходящего солнца.

Очень хорошим подспорьем могут быть показания барометра, измеряющего атмосферное давление. Довольно точно и вместе с тем кратко алгоритм предсказания погоды с помощью барометра можно выразить фразой «барометр падает – к ненастью» (чем быстрее и больше изменяется атмосферное давление, тем сильнее изменится погода). Обратное тоже верно: если давление растет, то в ближайшее время погода поменяется на ясную.

Именно на этом принципе основаны так называемые «погодные станции» – бытовые приборы, которые сочетают в себе несколько полезных функций. Как правило, это термометр, измеряющий температуру внутри помещения (встроенный в саму станцию), еще один для температуры снаружи (проводной или беспроводной) и барометр, показывающий атмосферное давление и тенденцию его изменения. На основе этих данных можно сделать более-менее вероятный прогноз локальной погоды на ближайшие часы. Существуют и более сложные аппараты. Редакция «ПМ» на протяжении полутора месяцев тестировала погодную станцию Oregon Scientific WMR200. Эта модель предусматривает подключение до десяти внешних беспроводных датчиков температуры/влажности, анемометра (измерителя скорости ветра) и датчика уровня осадков. Алгоритм предсказания у этой станции не просто основан на анализе тенденции изменения давления, но и сравнивает ее с заложенной в память статистической базой погодных данных и уже на основе этого делает выводы. Конечно, суперкомпьютер в такой аппарат не встроить, вычислительные мощности весьма невелики, но для небольшого количества данных этого хватает. Поэтому за все время тестирования краткосрочные (на несколько часов) прогнозы оправдывались вполне успешно и лишь в нескольких случаях прибор ошибся в прогнозе. Так что редакция с чистой совестью может рекомендовать подобные станции для домашнего использования. Хотя, разумеется, даже очень совершенная погодная станция типа WMR200 – всего лишь бытовое устройство, не способное учитывать такие тонкости, как перестройка погодных явлений (то есть резкое изменение погоды).