А можно поточнее? Как делается прогноз погоды и можно ли его улучшить?

Сначала наблюдение

Прогнозирование погоды начинается с наблюдения за текущим состоянием атмосферы. Зная ее текущее состояние, синоптики могут затем прогнозировать предстоящие изменения погоды в ближайшие дни или недели.

«Мы живем в воздушном океане, все изменения погоды зависят от солнечного излучения. Состояние воздушного океана скорее говорит о будущей погоде, чем о погоде в настоящий момент», — писал во введении к своей «Книге о погоде» Роберт Фицрой — основатель и руководитель Британского метеорологического департамента, будущего Met Office.  

Многочисленные погодные датчики, размещенные на поверхности Земли и над ней, в море и на орбите, измеряют целый ряд погодных параметров, которые помогают максимально нарисовать наиболее полную картину погоды на нашей планете. Сбор погодной информации ведется метеорологическими организациями по всему земному шару, а затем национальные метеослужбы обмениваются ею со своими коллегами в других странах.

К основным погодным параметрам относятся: температура, атмосферное давление, влажность, скорость и направление ветра, осадки и их количество. Для их измерения на суше действует сеть метеостанций. В России таких метеостанций 1670, тогда как, например, в Китае их более 53 тысяч. Они могут обслуживаться как специалистами-метеорологами, так и быть полностью автоматизированными. В США, к примеру, действует сеть автоматизированных систем наблюдений (ASOS) за поверхностью. Такие метеостанции установлены в более чем 900 аэропортах по всей стране, где они собирают информацию о погодных явлениях.

А вот отслеживать в режиме реального времени местоположение и перемещение облачных образований, возникновение зон интенсивных осадков, фиксировать зоны опасных явлений, в том числе гроз, града, шквалов, следить за их развитием и перемещением помогают специальные погодные радары. В нашей стране разработкой и производством такого оборудования занимается концерн «Алмаз-Антей», известный своими системами противовоздушной и противоракетной обороны. Доплеровский метеорологический радиолокатор (ДМРЛ-С), разработанный этой ведущей оборонной корпорацией, относится к новому поколению радаров с двойной поляризацией сигнала. Современные радары ДМРЛ-С имеют радиус обзора 250–300 км и позволяют осуществлять циклические наблюдения с периодичностью от 3 до 15 минут в круглосуточном автоматизированном режиме. Они предоставляют данные с высоким пространственным разрешением (0,5–1 км) на площади до 200 тыс. км². Всего в планах Росгидромета до 2020 года значится установка около 140 радиолокаторов ДМРЛ-С. Специально разработанное для радиолокатора ДМРЛ-С программное обеспечение (ПО ВОИ «ГИМЕТ-2010») дает возможность соотносить метеоявления на карте ДМРЛ-С с синоптической ситуацией. Графическую информацию с таких радаров мы можем увидеть на картах осадков, имеющихся на многих погодных сайтах.

В США также существует сеть метеорадаров, которая включает более чем 120 доплеровских радаров. Недавно они были усовершенствованы с помощью технологии Dual Polarization Technology, аналогичной той, что применили в ДМРЛ-С. На данный момент сеть погодных радаров в США считается самой развитой в мире. Радарами покрыта практически вся территория, причем восточная часть страны с большим запасом. Именно поэтому краткосрочный прогноз погоды в Вашингтоне и Нью-Йорке считается одним из самых точных на планете. В России сейчас также реализуется программа развития радиолокационной сети, новые радары строятся, прежде всего, в Центральном регионе, на юге Сибири и Дальнего Востока.

На воде, в океанах и морях, собирают данные о погоде метеобуи. Они, как и другие типы метеорологических станций, измеряют такие параметры, как температура воздуха над поверхностью океана, скорость ветра (постоянная и порывистая) и направление, барометрическое давление. Поскольку погодные буи находятся в водоемах, они также измеряют температуру поверхности моря и высоту волн. Полученные данные обрабатываются и могут регистрироваться на борту буя, а затем передаваться по радио, сотовой или спутниковой связи в метеорологические центры для использования в прогнозировании погоды. Используются как пришвартованные буи, так и дрейфующие, в том числе и в открытых океанских течениях. Фиксированные буи измеряют температуру воды на глубине до 3 метров.

Для измерения параметров атмосферы непосредственно в ее «толще» в воздух запускаются метеозонды. Они измеряют параметры атмосферы и по радио передают данные обратно на аэрологические станции наблюдений. Во всем мире действует порядка 870 станций метеорологического зондирования, из них 115 — на территории нашей страны. Вот только с 2015 года Росгидромет стал запускать метеозонды для изучения атмосферы в два раза реже. Вместо ежедневного двухразового зондирования российские метеорологи перешли на одноразовое. «Информации теперь собирается меньше, а это, в свою очередь, сказывается на точности начальных данных, от которых “стартуют” прогностические модели», — отметил директор Гидрометцентра Роман Вильфанд. Отразилось это на качестве прогнозов погоды не только в нашей стране, но и, например, в соседнем Китае, прогнозы в котором во многом зависят от данных российских метеостанций.

Выше метеозондов наблюдают за погодой метеоспутники. Но и здесь все не так просто. Россия имеет четыре метеоспутника. Два из них находятся на геостационарной орбите, это «Электро-Л №1» и «Электро-Л №2». К сожалению, запущенный в январе 2011 года «Электро-Л №1» вышел из строя, хотя предполагалось, что космический аппарат проработает на орбите не менее 10 лет. «Электро-Л №2» работает. Находясь постоянно в одной точке над Землей, он снимает целиком все Восточное полушарие планеты. Космический аппарат этой серии с высоты 35 786 км способен проводить многоспектральную съемку в видимом и инфракрасном диапазонах с разрешением 1 км и 4 км соответственно. Снимки делаются каждые полчаса.

Низкоорбитальные спутники «Метеор-1» и «Метеор-2» имеют более низкую орбиту — 825 километров, это позволяет получать более детальную информацию, чем при использовании расположенных на гораздо более высокой орбите геостационарных спутников. Оба космических аппарата выведены на солнечно-синхронную орбиту. Вот только «Метеор-1» тоже не функционирует, на орбите он еще находится, но картинку уже не дает. Таким образом, у нашей страны на сегодняшний день только два действующих метеоспутника. Для сравнения, у США на орбите постоянно работают пять метеоспутников и еще один аппарат находится в резерве. Однако стоить сказать, что еще восемь лет назад российских метеорологических спутников в космосе не было совсем. Российские метеорологи пользовались информацией, полученной от спутников, запущенных США, ЕС и Китаем. Даже особо точные военные карты с грифом «совершенно секретно» составлялись на основе данных с американских спутников.

Благодаря именно спутниковым наблюдениям удается существенно повысить точность прогнозов погоды. Так, например, благодаря инструменту AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder), выведенному в космос на борту спутника Aqua, NASA удалось существенно повысить точность прогнозирования погоды. Прибор позволяет создавать трехмерные карты температуры воздуха и поверхности, водяного пара и свойств облаков. Имея 2378 спектральных каналов, AIRS дает разрешение более чем в 100 раз больше, чем предыдущие инфракрасные зонды, и обеспечивает более точную информацию о вертикальных профилях атмосферной температуры и влажности. AIRS также может измерять следовые парниковые газы, такие как озон, угарный газ, двуокись углерода и метан.

Помимо содействия в составлении самых точных прогнозов, AIRS отслеживает выбросы вулканов и дым от лесных пожаров, измеряет вредные соединения, такие как аммиак. Если вы слышите о том, что озоновый слой над Антарктидой начал восстанавливаться, то это благодаря AIRS, который и это замечает.

Есть и другие способы наблюдения за погодой из космоса. Метод скаттерометрии позволяет дистанционно определять скорость и направление ветра в океанах. Скаттерометр — это микроволновой радар, сканирующий поверхность океана и позволяющий измерять удельную эффективную площадь рассеяния, что дает возможность восстанавливать параметры приводного ветра. Радар «видит» волны и определяет куда и с какой скоростью дует ветер. Первый такой прибор был установлен на борту американского космического аппарата SeaSat в 1978 году и впервые доказал возможность точного измерения скорости ветра с орбиты. На орбите уже работало большое количество спутников-скатеррометров. Подобный инструмент RapidScat был установлен на Международной космической станции и действовал с сентября 2014 года по август 2016 года. Создание полномасштабной группировки спутников-скатеррометров позволит более эффективно осуществлять прогнозирование морских штормов, изучать океаническую циркуляцию, взаимодействие атмосферы и океана и их влияние на погоду и глобальный климат.

Суперпомощники

«Прогноз погоды — это решение сложной математической задачи. В рамках системы уравнений описываются законы атмосферной циркуляции, притока тепла, вертикальных движений. Это очень сложная система, и решать ее можно только на суперкомпьютерах», — объясняет Роман Вильфанд.

Сама идея создания прогноза погоды с использованием динамических уравнений была впервые выдвинута английским математиком Льюисом Фраем Ричардсоном еще в 1922 году. Он понял, что динамику атмосферы можно моделировать, выполняя тысячи уравнений, тем самым имея возможность прогнозировать погоду.

Однако в докомпьютерный век существовал единственный вариант применения данного численного метода — вручную. Ричардсон подсчитал, что потребуется 64 тысячи человек для выполнения расчетов, необходимых для своевременного качественного прогноза. И хотя это было непрактично, его теория легла в основу прогнозирования погоды по мере совершенствования технологии.

Сегодня по всей планете ежедневно и ежечасно собираются миллиарды метеорологических данных, зарегистрированных наземными метеорологическими станциями, метеозондами, океанскими буями и метеорологическими спутниками. Весь этот поток погодных данных направляется в центры обработки метеорологической информации, оснащенные, как правило, самыми современными компьютерами, так как прогноз на завтра нужен уже сейчас, а не завтра или через неделю. Менее мощные машины были бы не способны обработать такое количество данных в приемлемый срок.

По состоянию на ноябрь 2016 года, в списке Top500, рейтинге самых мощных вычислительных систем мира, значилось 23 суперкомпьютера, предназначенных для прогнозирования погоды. И хотя эти 23 системы представляют собой менее пяти процентов от общего числа суперкомпьютеров в списке, они составляют более семи процентов от общей производительности списка. В настоящее время самым мощным компьютером для прогнозирования погоды является машина Метеорологического бюро Соединенного Королевства Cray XC40, которая обеспечивает производительность 7 петафлопс и находится под номером 11 в Top500. Второй самый мощный — это спустившийся в рейтинге на 2 позиции по сравнению с прошлым годом Cheyenne, установленный в Национальном центре атмосферных исследований США (NCAR). Сегодня он занимает 22 место в списке, обеспечивая производительность 4,8 петафлопса. Один петафлопс означает, что за секунду машина может совершить тысячу триллионов операций с плавающей точкой.

На этом фоне российские метеорологи, конечно, смотрятся весьма скромно. Главный вычислительный центр  Росгидромета располагает на сегодняшний день тремя вычислительными кластерами общей производительностью 62 терафлопса (триллиона операций в секунду). Новый суперкомпьютер планируют установить к концу года. Параметры его производительности не раскрываются. Актуальность в нем назрела после урагана, который произошел в Москве 29 мая. Тогда погибло 18 человек. По словам Романа Вильфанда, для окончательной настройки компьютера потребуется еще от 6 до 8 месяцев. Но прогнозы высокого разрешения для Московского региона с шагом в километр появятся еще позже — к концу 2019 года.

Методы прогнозирования погоды

Считается, что предсказание погоды является конечной целью исследования атмосферы. Прогнозирование отмечается как наиболее развитая область в метеорологии. Природа современного прогнозирования погоды достаточно сложна. Принято выделять три метода научного прогнозирования погоды: синоптическое прогнозирование погоды, численный (он же гидродинамический) метод и статистический.

Синоптическое прогнозирование — это традиционный подход к прогнозированию погоды. До конца 1950-х годов этот метод использовался как основной. Он основывается на построении и анализе синоптических карт, изображающих атмосферные условия в конкретный момент времени.  На них выделяются отдельные объекты (циклоны, антициклоны, атмосферные фронты и т. д.), для каждого из которых свойственны определенные типы погодных условий. Современный метеорологический центр ежедневно готовит серию синоптических карт. Такие карты составляют основу прогнозов погоды. Задача подготовки синоптических карт на постоянной основе включает в себя сбор и анализ огромного количества данных наблюдений, полученных с множества метеорологических станций.

На основе тщательного изучения метеорологических карт на протяжении многих лет были сформулированы определенные эмпирические правила. Эти правила помогают метеорологам оценить скорость и направление движения погодных систем. Например, когда известен тип погоды, создаваемой вдоль фронта, а также скорость и направление движущейся бури, можно сделать довольно точный прогноз погоды для выбранной местности.

Но из-за внезапных изменений в циклонической системе эти прогнозы действительны на протяжении лишь короткого периода времени, скажем, в течение нескольких часов или дня. Прогнозирование на более длительный период уже затруднительно.

В середине прошлого века пришли к выводу, что другие методы могут более точно прогнозировать будущую погоду, чем это было возможно с помощью традиционного синоптического подхода. Численный метод включает в себя много математики. Он также называется «гидродинамическим» и основан на построении математических моделей атмосферы и моделей взаимодействия атмосферы и океана. В нем решаются уравнения гидро- и термодинамики и используются основные физические законы.  

С конца 1940-х годов наблюдается устойчивый рост использования математических моделей в прогнозировании погоды. Эти процедуры стали возможны благодаря продвижению в формулировании математических моделей. Математические уравнения применяются для разработки теоретических моделей общей циркуляции атмосферы. Они также используются для прогнозирования изменений в атмосфере с течением времени. В них учитываются параметры определенных элементов погоды, таких как воздушные течения, температура, влажность, испарение, облачность, дождь, снег и взаимодействие воздушных потоков с поверхностью суши и океанов.

В разработке численного метода прогнозирования погоды решающие шаги были сделаны советским ученым, академиком А. М. Обуховым и американским ученым Дж. Чарни. Именно они довели этот метод до практической реализации, ставшей возможной с появлением ЭВМ.

Когда мы рассматриваем постоянно меняющуюся атмосферу, необходимо учитывать большое количество переменных. Это очень сложная задача. И для ее решения были подготовлены численные модели, которые игнорируют некоторые переменные в предположении, что некоторые аспекты атмосферы не изменяются со временем. Это позволяет снизить требования к производительности компьютеров, но одновременно снижается и качество прогноза.

Статистические методы используются наряду с численным прогнозом погоды. Этот метод часто дополняет численный метод. Статистические методы используют прошлые записи метеорологических данных, исходя из предположения, что в будущем погода будет повторяться.

Основная цель изучения прошлых метеорологических данных — выяснить те аспекты погоды, которые являются хорошими показателями будущих событий. Но таким образом можно делать прогноз погоды с большим шагом по территории. Это особенно полезно при проектировании только одного аспекта погоды за раз. Например, это имеет большое значение для долгосрочного прогнозирования максимальной температуры в течение дня в определенном месте. Процедура заключается в сборе статистических данных, касающихся температуры, скорости и направления ветра, количества облачности, влажности конкретного сезона года. Статистический метод имеют большое значение для долгосрочных прогнозов погоды.

Как видим, возможностей для улучшения точности прогнозов погоды достаточно. Мощности суперкомпьютеров растут, и с большой уверенностью можно сказать, что они будут находить свое применение в метеорологии. Все новые инструменты для наблюдения за погодой выводятся в космос, растет сеть метеорадаров. В целом, это касается и нашей страны. Развивается новое направление в прогнозировании погоды — наукастинг, позволяющий выпускать сверхкраткосрочный прогноз об опасных явлениях погоды на ближайшие несколько часов. Так что будем надеяться, что обещания главы Гидрометцентра Романа Вильфанда о прогнозах погоды с точностью до района и даже улицы будут реализованы.