Як складаються сучасні прогнози погоди. Основні поняття
© Estonian Weather Service
У сучасному світі складно знайти таку людину, яка не цікавилася б прогнозами погоди. Вони допомагають нам правильно вибрати одяг, спланувати різноманітні заходи на відкритому повітрі чи подорожі. Існує значна кількість галузей інфраструктури, діяльність яких була б набагато менш ефективною без знання найімовірніших умов атмосфери у майбутньому. Це авіація, морський флот, сільське господарство, енергетика, будівництво тощо
Грамотне використання метеорологічних прогнозів, безумовно, важливе для забезпечення безпеки населення при таких стихійних явищах, як повені, потужні грози, смерчі, руйнівні пориви вітру, екстремальні аномалії температури. Можливості так званого активного впливу на погоду дуже обмежені і зводяться до розсіювання туманів та часткового запобігання градобиття — на процеси більшого масштабу (циклони, антициклони) людина впливати ще не навчилася. Таким чином, створення та постійне функціонування системи, що дозволяє завчасно видавати прогнози метеорологічних величин та явищ, є одним з найважливіших завдань, що стоять перед світовим співтовариством.
Згідно з класичним визначенням, прогнозом погоди називається науково обґрунтована думка про майбутній стан атмосфери. Тому помилково говорити, наприклад, що «за прогнозами синоптиків, обіцяли дощ…». Люди, які професійно займаються складанням прогнозів, не вміють керувати погодою, а значить нічого обіцяти не можуть. Синоптики становлять прогнози з певною мірою ймовірності, спираючись на суворо науковий підхід та математичні розрахунки.
Також читайте
Прогнозування гідрологічного стану об'єктів (рівень води в річці, швидкість течії, солоність тощо) тісно пов'язане з умовами в атмосфері, тому часто говорять про гідрометеорологічні прогнози, що описують майбутній стан атмосфери та гідросфери як єдиної нерозривної системи. Такі прогнози потрібні майже всім — від простих людей до спеціалістів у різних сферах (моряки, водії, будівельники тощо).
Безпосередньо самі прогнози погоди прийнято ділити на прогнози загального користування та спеціалізовані прогнози. У різних засобах масової інформації публікуються якраз прогнози загального призначення. Вони включають лише основні характеристики погоди: температуру повітря, атмосферний тиск, швидкість і напрям вітру, метеорологічні явища. Спеціалізовані прогнози складаються з вимог конкретної галузі. Наприклад, для авіації необхідні дані про висоту нижньої межі хмарності, видимості, зледеніння повітряних суден, турбулентності; морського флоту - інформація про хвилювання на морі, айсбергах і т.д.
Корисно навести класифікацію прогнозів погоди щодо завчасності, прийняту Всесвітньою метеорологічною організацією. Цими критеріями керуються усі прогностичні центри у світі.
Велику допомогу у складанні прогнозів погоди надають чисельні моделі атмосфери. Це дуже складні комп'ютерні програми, дозволяють передбачати майбутній стан атмосфери з її початковим умовам. Для прогнозу будь-якої завчасності потрібні якомога повніші та точні дані про поточний стан атмосфери.
В даний час чисельне моделювання є основним підходом при складанні короткострокових та середньострокових метеорологічних прогнозів. Сутність даного підходу полягає у визначенні майбутньої погоди шляхом вирішення рівнянь гідротермодинаміки, записаних стосовно атмосфери. Ці рівняння дуже складні (нелінійні) і тому вирішуються за допомогою суперкомп'ютерів. Обчислювальна складність алгоритмів виходить настільки високою, що їх виконання можливе лише на швидкодіючих і сучасних системах.
Створення та впровадження у метеорологічну практику гідродинамічних моделей атмосфери – процес неймовірно складний, пов'язаний із величезними науковими та матеріальними вкладеннями. Тому моделі розробляються і функціонують лише в розвинених країнах світу — США, Канаді, Німеччині, Великобританії, Японії, Росії. Національні метеослужби інших країн зазвичай користуються готовою продукцією модельних розрахунків провідних метеорологічних держав.
Існує класифікація моделей атмосфери за розмірами території, на яку робляться розрахунки. Глобальні моделі, назва яких говорить сама за себе, обчислюють значення метеорологічних величин для всієї земної кулі. Роздільна здатність їх по горизонталі становить близько 50 км, що цілком достатньо для опису погодоутворюючих процесів великого масштабу. Серед них у метеорологічній практиці найчастіше застосовуються американська Global Forecasting System (GFS), модель Європейського центру середньострокових прогнозів погоди (ЕЦСПП, англ. European Center for Medium-Range Forecasting - ECMWF) та німецька Global German Standard (ICON). Мезомасшабні (регіональні) моделі за рахунок зменшення площі розрахунку однієї країни чи її регіону дозволяють збільшити дозвіл до 1 - 3 км, завдяки чому їх використовують із складання деталізованих прогнозів. Найбільш відомою мезомасштабною моделлю є американська Weather Research and Forecasting Model (WRF). WRF — безкоштовна модель з відкритим вихідним кодом, що дозволяє використовувати її не тільки в державних, а й у приватних бюро погоди з можливістю тонкого налаштування під різні потреби. Нещодавно з'явилися й мультимасштабні моделі, які мають різний просторовий дозвіл залежно від потреб. Наприклад, такою є канадська СМС (GEM). Нижче на схемі наведено найбільш актуальний перелік низки глобальних та регіональних прогностичних моделей з різною просторовою роздільною здатністю, математичним апаратом та частотою оновлення.
Процес підготовки гідродинамічного прогнозу погоди можна умовно поділити на два етапи. Перший етап є підготовчим. Починається все зі збору фактичних зведень погоди з метеостанцій, кораблів і буїв, а також даних радіозондування атмосфери з подальшою архівацією в пам'яті комп'ютера метеорологічного центру. Потім відбувається контроль якості первинної інформації та створення попередньої бази даних. Зрозуміло, що розташування метеостанцій, суден погоди тощо не є однорідним, тому їх дані інтерполуються у вузли так званої регулярної сітки - безлічі точок, рівномірно розташованих у просторі. Багато областей земної кулі (наприклад, океани, пустелі) на картах погоди виглядають як «білі плями», і для цього недоліку інформації широко використовуються метеорологічні супутники. Також вихідними даними є результати радарних спостережень, літакового зондування та будь-які інші методики, які дозволяють отримати вихідну інформацію про стан атмосфери. Всі ці ланки становлять глобальну систему спостережень, яка схематично представлена на малюнку. Підсумковим результатом підготовчого етапу є об'єктивний аналіз метеовеличин.
Другим етапом чисельного моделювання атмосферних процесів є власне гідродинамічний прогноз. По об'єктивному аналізу модель обчислює тенденцію зміни метеорологічних величин через невеликий проміжок часу близько 10 хв. Отримана картина погоди є основою для розрахунку наступної тенденції, і цей процес повторюється знову і знову. У більшості метеорологічних центрів максимальна завчасність модельного прогнозу становить 1-2 тижні. Оперативність передвирахування погоди важлива, оскільки прогноз за дуже довгої його підготовки втрачає практичну цінність. З метою зменшення затрачуваного машинного часу багато складних фізичних процесів описуються приблизно.
Результати гідродинамічного моделювання поширюються на метеорологічні центри як графічна інформація — карти, таблиці і діаграми. Однак синоптики завжди мають можливість скористатися чисельними прогнозами у вихідному (закодованому) вигляді для проведення складних обчислень на персональних комп'ютерах. Варто зазначити, що останнім часом ресурси інтернету надають відкритий доступ до модельних даних, причому їхній набір не дуже відрізняється від того, що є в прогностичних організаціях. Це дозволяє всім охочим наблизитися до метеорологічної науки. Приклад прогнозу температури повітря на висоті 2 м над поверхнею, що підстилає, за моделлю GFS показаний нижче.
У наступних публікаціях ми докладніше розповімо про основні види прогнозів з погляду завчасності, розповімо чому виникають помилки і не збуваються деякі прогнози, а також обговоримо подальші перспективи чисельного моделювання атмосфери.
