Как создаются современные прогнозы погоды. Основные понятия.
В современном мире сложно найти такого человека, который не интересовался бы прогнозами погоды. Они помогают нам правильно выбрать одежду, спланировать различные мероприятия на открытом воздухе или путешествия. Существует значительное количество отраслей инфраструктуры, деятельность которых была бы гораздо менее эффективной без знания наиболее вероятных условий атмосферы в будущем. Это авиация, морской флот, сельское хозяйство, энергетика, строительство и т.д.
Грамотное использование метеорологических прогнозов, безусловно, важно для обеспечения безопасности населения при таких стихийных явлениях, как наводнения, мощные грозы, смерчи, разрушительные порывы ветра, экстремальные аномалии температуры. Возможности так называемого активного воздействия на погоду весьма ограниченны и сводятся к рассеиванию туманов и частичному предотвращению градобитий — на процессы более крупного масштаба (циклоны, антициклоны) человек влиять ещё не научился. Таким образом, создание и постоянное функционирование системы, позволяющей заблаговременно выдавать прогнозы метеорологических величин и явлений, является одной из важнейших задач, стоящих перед мировым сообществом.
Согласно классическому определению, прогнозом погоды называется научно обоснованное суждение о будущем состоянии атмосферы. Поэтому ошибочно говорить, к примеру, что «по прогнозам синоптиков обещали дождь…». Люди, которые профессионально занимаются составлением прогнозов не умеют управлять погодой, а значит ничего обещать не могут. Синоптики составляют прогнозы с определённой степенью вероятности, опираясь на строго научный подход и математические расчёты.
Читайте также
Прогнозирование гидрологического состояния объектов (уровень воды в реке, скорость течения, солёность и т.д.) тесно связано с условиями в атмосфере, поэтому часто говорят о гидрометеорологических прогнозах, описывающих будущее состояние атмосферы и гидросферы как единой неразрывной системы. Такие прогнозы нужны почти всем — от простых людей до специалистов в различных сферах (моряки, водители, строители и т.д.).
Непосредственно сами прогнозы погоды принято делить на прогнозы общего пользования и прогнозы специализированные. В различных средствах массовой информации публикуются как раз прогнозы общего назначения. Они включают в себя лишь основные характеристики погоды: температуру воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, метеорологические явления. Специализированные прогнозы составляются исходя из требований конкретной отрасли. К примеру, для авиации необходимы данные о высоте нижней границы облачности, видимости, обледенении воздушных судов, турбулентности; морскому флоту — информация о волнении на море, айсбергах и т.д.
Полезно привести классификацию прогнозов погоды по заблаговременности, принятую Всемирной метеорологической организацией. Этими критериями руководствуются все прогностические центры в мире.
Большую помощь при составлении прогнозов погоды оказывают численные модели атмосферы. Это очень сложные компьютерные программы, позволяющие предвычислять будущее состояние атмосферы по её начальным условиям. Для прогноза любой заблаговременности нужны как можно более полные и точные данные о текущем состоянии атмосферы.
В настоящее время численное моделирование является основным подходом при составлении краткосрочных и среднесрочных метеорологических прогнозов. Сущность данного подхода заключается в определении будущей погоды путём решения уравнений гидротермодинамики, записанных применительно к атмосфере. Эти уравнения очень сложны (нелинейны) и поэтому решаются при помощи суперкомпьютеров. Вычислительная сложность алгоритмов получается настолько высокой, что их выполнение возможно только на самых быстродействующих и современных системах.
Создание и внедрение в метеорологическую практику гидродинамических моделей атмосферы — процесс невероятно сложный, сопряжённый с огромными научными и материальными вложениями. По этой причине модели разрабатываются и функционируют лишь в развитых странах мира — США, Канаде, Германии, Великобритании, Японии, России. Национальные метеослужбы других государств обычно пользуются готовой продукцией модельных расчётов ведущих метеорологических держав.
Существует классификация моделей атмосферы по размерам территории, для которой производятся расчёты. Глобальные модели, название которых говорит само за себя, вычисляют значения метеорологических величин для всего земного шара. Разрешение их по горизонтали составляет порядка 50 км, что вполне достаточно для описания погодообразующих процессов крупного масштаба. Среди них в метеорологической практике чаще всего применяются американская Global Forecasting System (GFS), модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП, англ. European Center for Medium-Range Forecasting — ECMWF) и немецкая Global German Standard (ICON). Мезомасшабные (региональные) модели за счёт уменьшения площади расчёта до одной страны или её региона позволяют увеличить разрешение до 1 — 3 км, благодаря чему их используют для составления детализированных прогнозов. Наиболее известной мезомасштабной моделью является американская Weather Research and Forecasting Model (WRF). WRF — бесплатная модель с открытым исходным кодом, что позволяет использовать её не только в государственных, но и частных бюро погоды с возможностью тонкой настройки под различные нужды. В недавние годы появились и мультимасштабные модели, которые имеют различное пространственное разрешение в зависимости от потребностей. Например, таковой является канадская СМС (GEM). Ниже на схеме приведён наиболее актуальный перечень ряда глобальных и региональных прогностических моделей с различным пространственным разрешением, математическим аппаратом и частотой обновления.
Процесс подготовки гидродинамического прогноза погоды можно условно разделить на два этапа. Первый этап подготовительный. Начинается всё со сбора фактических сводок погоды с метеостанций, кораблей и буёв, а также данных радиозондирования атмосферы с последующей их архивацией в памяти компьютера метеорологического центра. Затем происходит контроль качества первичной информации и создание предварительной базы данных. Понятно, что расположение метеостанций, судов погоды и т.п. не является однородным, поэтому их данные интерполируются в узлы так называемой регулярной сетки — множества точек, равномерно расположенных в пространстве. Многие области земного шара (к примеру, океаны, пустыни) на картах погоды выглядят как «белые пятна», и для восполнения этого недостатка информации широко используются метеорологические спутники. Также исходными данными служат результаты радарных наблюдений, самолётного зондирования и любые другие методики, которые позволяют получить исходную информацию о состоянии атмосферы. Все перечисленные звенья составляют глобальную систему наблюдений, которая схематически представлена на рисунке. Итоговым результатом подготовительного этапа является объективный анализ метеовеличин.
Второй этап численного моделирования атмосферных процессов представляет собой собственно гидродинамический прогноз. По объективному анализу модель вычисляет тенденцию изменения метеорологических величин через небольшой промежуток времени, порядка 10 мин. Полученная картина погоды есть основа для расчёта следующей тенденции, и этот процесс повторяется снова и снова. В большинстве метеорологических центров максимальная заблаговременность модельного прогноза составляет 1—2 недели. Оперативность предвычисления погоды важна, поскольку прогноз при слишком долгой его подготовке теряет практическую ценность. С целью уменьшения затрачиваемого машинного времени многие сложные физические процессы описываются приближённо.
Результаты гидродинамического моделирования распространяются в метеорологические центры в виде графической информации — карт, таблиц и диаграмм. Однако у синоптиков всегда есть возможность воспользоваться численными прогнозами в исходном (закодированном) виде для проведения сложных вычислений на персональных компьютерах. Стоит отметить, что в последнее время ресурсы интернета предоставляют открытый доступ к модельным данным, причём их набор не слишком отличается от того, что есть в прогностических организациях. Это позволяет всем желающим приблизиться к метеорологической науке. Пример прогноза температуры воздуха на высоте 2 м над подстилающей поверхностью по модели GFS показан ниже.
В следующих публикациях мы более подробно расскажем об основных видах прогнозов с точки зрения заблаговременности, расскажем почему возникают ошибки и не сбываются некоторые прогнозы, а также обсудим дальнейшие перспективы численного моделирования атмосферы.