Наука о прогнозах погоды: Как называется наука о погоде

Прогнозы погоды стали намного точнее. Как в метеорологии произошла тихая революция?

© REUTERS/Anindito Mukherjee

23 марта — Всемирный метеорологический день и российский День работников гидрометеорологической службы. ТАСС — о том, за счет чего прогнозы погоды делаются все точнее и есть ли предел совершенству

Накануне в Москве стояла замечательная погода: небо было ясное, солнце так припекало, что пришлось открыть дверь на балкон. Это удивительно само по себе, ведь обычно в столице в это время года то пасмурно, то холодно. Но еще удивительнее другое — что будет за окном в среду, с большой точностью было известно еще на прошлой неделе. Лет 20–30 назад об этом оставалось мечтать.

Сайты и мобильные приложения с почасовыми прогнозами погоды — иногда их дают даже для отдельных районов, если город крупный, — стали чем-то само собой разумеющимся. Оттого кажется, что сделать прогноз немногим сложнее, чем открыть сайт: запустил программу, нажал пару кнопок — и готово. Но в действительности расчет будущей погоды сравним с составлением карты нейронных связей в человеческом мозге и моделированием эволюции галактик в космосе. Разница в том, что точность этих расчетов может проверить кто угодно, просто выйдя из дома.

Погода — это хаос

На эту тему

Прогнозировать погоду сложно, прежде всего, из-за того, что земная атмосфера хаотична. Математики вкладывают в это слово не тот смысл, что обыватели. «В хаотической системе растет доля ошибки, если есть неопределенность в начальных данных, а она есть всегда хотя бы потому, что измерения проводятся с некоторой точностью: допустим, температура известна до десятых долей градуса. Насколько бы хорошей ни была погодная модель, она даст ошибку», — объясняет Александр Чернокульский, старший научный сотрудник лаборатории теории климата Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН.

Раздел математики, изучающий хаотические системы, и появился-то во многом из-за прогнозов погоды. В начале 1960-х годов американский метеоролог Эдвард Лоренц повторно прогнал данные через компьютер и получил совсем не такой результат, как в первый раз. Причина была в том, что сначала вычисления производились с точностью до шестого знака после запятой, а потом — только до третьего. Оказалось, что разница между тысячными и миллионными долями имеет огромное значение.

Настолько разные решения уравнений так удивили Лоренца, что он поэтично заключил: «Единственный взмах крыла чайки способен изменить погоду навсегда». Позже коллеги посоветовали заменить чайку на более изящное животное, и чувствительность хаотической системы к начальным условиям получила название «эффект бабочки».

Описание

Сотрудница станции комплексного фонового мониторинга Росгидромета на территории Алтайского государственного природного биосферного заповедника

© Кирилл Кухмарь/ТАСС

Ошибки при расчетах будущих состояний атмосферы и других хаотических систем со временем накапливаются, поэтому прогноз погоды на сутки вперед значительно лучше, чем на месяц. Тем не менее точность постепенно растет: современные пятидневные прогнозы так же хороши, как сорок лет назад — однодневные. Полезный прогноз можно сделать и на девять-десять дней. А предел предсказуемости классическими моделями, по словам Александра Чернокульского, составляет две недели.

На эту тему

Все эти модели построены по одному принципу. Погода описывается несколькими базовыми уравнениями, которые решаются пошагово подстановкой данных наблюдений, а не в общем виде, как учат в школе, — так их просто невозможно решить. Чтобы не оказаться в неловком положении, как когда-то Лоренц, модель запускают 10–20 раз, чуть-чуть меняя исходные значения, — вносят шум, чтобы рассмотреть разные варианты. «Если вы увидите в телефоне вероятность осадков 40%, то, грубо говоря, из десяти прогонов модели четыре показали, что в этом месте в это время осадки будут, а шесть — что нет», — объясняет Александр Чернокульский.

Как совладать с хаосом

Казалось бы, решить уравнения на современных компьютерах — плевое дело, но в прогнозировании погоды полно нюансов и ограничений. Во-первых, специалисты должны отличать заведомо ложные данные, понимать, какую информацию подавать в модель и когда это делать. К примеру, спутниковые данные, по словам Чернокульского, обновляются раз в 5–15 минут, наземные — каждые три часа, аэрологические — каждые 12 часов. В работе с моделью это нужно учитывать.

Во-вторых, у модели есть пространственное разрешение. Как фотография в смартфоне складывается из пикселей, так и поверхность Земли в модели — из ячеек. Разрешение самых детальных моделей составляет несколько километров. Загвоздка в том, что некоторые атмосферные процессы, скажем, смерчи и зоны турбулентности, разворачиваются в пределах сотен метров, что намного меньше ячейки решетки в модели. Обычно такие процессы не опишешь в строгом соответствии с физическими законами — приходится параметризировать, то есть выкручиваться с помощью приблизительных коэффициентов, выведенных опытным путем, но это приводит к ошибкам.

Описание

В здании Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

© Сергей Фадеичев/ТАСС

С уменьшением масштаба приобретают значение вещи, которыми до этого можно было пренебречь, например, взаимодействием твердых и жидких частичек в воздухе с облаками. Для расчета этих процессов требуются новые уравнения, точные и «быстрые» данные, а подавать эту информацию в модель нужно особенно аккуратно.

На эту тему

В будущем качество данных повысится благодаря спектрорадиометрам, радарам и лидарам (лазерам) на новых спутниках. Передовые космические аппараты уже сейчас способны в случае необходимости наводить аппаратуру. «Раньше геостационарный спутник раз в 5–15 минут делал обзор всей видимой области, а теперь приборы могут концентрироваться на более узком участке и обрабатывать данные с шагом несколько десятков секунд. Допустим, идет взрывная конвекция (когда разогретый у земли воздух быстро поднимается вверх с образованием грозовых облаков — прим. ТАСС), надо срочно отследить этот момент, навести, быстро отснять, подать в модель и получить результат», — объясняет на примере Александр Чернокульский.

Другое перспективное направление — измерения с помощью обыкновенных смартфонов, оборудованных всевозможными датчиками, и другой потребительской электроники. По словам Чернокульского, пока «гражданские» показания ученые используют для прогнозов в обратную сторону — моделирования прошлой погоды, да и то лишь в отдельных районах. Эти расчеты можно сравнить с тем, как все было на самом деле, и поправить методику. Точно так же в 1950 году метеорологи впервые применили допотопный компьютер. «Наверное, такие системы могут помочь в горах, а на равнине от них не так много толка, потому что масштаб изменений больше», — считает Чернокульский.

Есть еще одна проблема — с уменьшением масштаба модели и ростом объема данных сложность вычислений колоссально растет. Для прогнозирования погоды применяются одни из самых мощных компьютеров на свете. Стоят они дорого, а их производительность больше не увеличивается прежними темпами: кремниевые микросхемы почти некуда совершенствовать. Вдобавок современным метеорологам осталось наследство из миллионов строчек программного кода, из-за чего вычисления не так-то просто оптимизировать.

© AP Photo/Ted S. Warren

Прогнозы — не просто для удобства

Все перечисленные трудности в прогнозировании погоды не удастся преодолеть полностью, но с годами ученые будут все лучше понимать физические процессы, модели усовершенствуются, данных будет поступать все больше, а компьютеры ускорятся. Единственное, с чем ничего не поделаешь, — это хаотичность атмосферы. В прогнозы все равно будет заложена погрешность.

Но не все ошибки одинаковы. «Важно, чтобы ошибки в прогнозе с 97-процентной точностью не приходились на экстремальные явления, а их предсказывать сложнее», — говорит Александр Чернокульский. С изменением климата, вызванным парниковым эффектом, такие явления случаются все чаще. Ураганы, засухи, небывалые морозы приносят громадный ущерб, а главное — стоят жизни тысячам, если не миллионам, людей. Откажись человечество от горючего прямо сейчас, погода все равно будет преподносить страшные сюрпризы. Поэтому от метеорологов, их моделей, приборов и компьютеров подчас зависит не только наш комфорт, но и само выживание.

Марат Кузаев

МЕТЕОРОЛОГИЯ • Большая российская энциклопедия

МЕТЕОРОЛО́ГИЯ (от греч. μετέωρος – не­бес­ный и …ло­гия), нау­ка об ат­мо­сфе­ре и про­ис­хо­дя­щих в ней про­цес­сах и яв­ле­ни­ях. Ос­нов­ной раз­дел М.  – фи­зи­ка ат­мо­сфе­ры, ко­то­рая, в свою оче­редь, под­раз­де­ля­ет­ся по изу­чае­мым объ­ек­там и про­цес­сам. Ис­сле­до­ва­ни­ем ат­мо­сфер­ных про­цес­сов за­ни­ма­ет­ся ди­на­ми­че­ская ме­тео­ро­ло­гия, её важ­ней­шей про­бле­мой яв­ля­ет­ся раз­ра­бот­ка чис­лен­ных ме­то­дов про­гно­зов по­го­ды; сол­неч­ную и зем­ную ра­диа­цию изу­ча­ет ак­ти­но­мет­рия, оп­тич. яв­ле­ния в ат­мо­сфе­ре – ат­мо­сфер­ная оп­ти­ка; вы­де­ле­ны так­же ат­мо­сфер­ное элек­три­че­ст­во и аку­сти­ка. Боль­шое вни­ма­ние в М. уде­ля­ет­ся вер­ти­каль­но­му строе­нию ат­мо­сфе­ры, обо­соб­ле­на фи­зи­ка при­зем­но­го слоя ат­мо­сфе­ры, по­сколь­ку об­ласть со­при­кос­но­ве­ния зем­ной по­верх­но­сти и ат­мо­сфе­ры оп­ре­де­ля­ет в осн. фор­ми­ро­ва­ние те­п­ло- и вла­го­об­ме­на ме­ж­ду ни­ми. В при­зем­ном слое (слое ды­ха­ния) важ­ней­шую роль иг­ра­ет со­дер­жа­ние хи­мич., фи­зич. и био­ло­гич. за­гряз­не­ний, по­сколь­ку в нём про­те­ка­ет жизнь и дея­тель­ность че­ло­ве­ка, фор­ми­ру­ет­ся эко­ло­гич. со­стоя­ние воз­душ­но­го бас­сей­на и при­род­ной сре­ды. Аэ­ро­ло­гия рас­смат­ри­ва­ет про­цес­сы в сво­бод­ной ат­мо­сфе­ре, где влия­ние зем­ной по­верх­но­сти ме­нее су­ще­ст­вен­но. Аэ­ро­но­мия изу­ча­ет са­мые верх­ние слои ат­мо­сфе­ры. Од­ной из осн. це­лей ис­сле­до­ва­ний ат­мо­сфе­ры яв­ля­ет­ся ана­лиз и про­гноз по­го­ды, этим во­про­сом за­ни­ма­ет­ся си­ноп­ти­че­ская ме­тео­ро­ло­гия – нау­ка о по­го­де и ме­то­дах её пред­ска­за­ния. Близ­ка к М. кли­ма­то­ло­гия – нау­ка о кли­ма­тах Зем­ли и их из­ме­не­ни­ях в про­шлом и на­стоя­щем. Су­ще­ст­вен­ных ус­пе­хов дос­тиг ряд при­клад­ных ме­тео­ро­ло­гич. дис­ци­п­лин, та­ких как авиа­ци­он­ная, строи­тель­ная, с.-х., мед. ме­тео­ро­ло­гия.

Очерк развития науки

М. – древ­няя нау­ка. Све­де­ния о по­го­де тре­бо­ва­лись че­ло­ве­че­ст­ву по ме­ре раз­ви­тия зем­ле­де­лия, ско­то­вод­ст­ва, мо­ре­пла­ва­ния и иных ви­дов дея­тель­но­сти, напр. строи­тель­ст­ва жи­лья и т. д. Ин­фор­ма­ция о разл. ме­тео­ро­ло­гич. яв­ле­ни­ях, по­го­де и спо­со­бах её пред­ска­за­ния со­дер­жит­ся в древ­них ле­ген­дах и ле­то­пи­сях, осо­бен­но бо­га­ты ею древ­ние кит. хро­ни­ки. Пер­вым до­шед­шим до нас сис­те­ма­тич. опи­са­ни­ем ат­мо­сфер­ных яв­ле­ний с по­пыт­ка­ми их объ­яс­не­ния яв­ля­ет­ся труд «Ме­тео­ро­ло­ги­ка» Ари­сто­те­ля; Пли­ний Стар­ший в «Ес­те­ст­вен­ной ис­то­рии» для це­лей мо­ре­пла­ва­ния опи­сы­вал вет­ры, пре­об­ла­даю­щие в тех или иных рай­онах ан­тич­но­го ми­ра. Рим. по­эт Вер­ги­лий в по­эме «Ге­ор­ги­ки» при­во­дил не­ко­то­рые при­ме­ты пло­хой по­го­ды, пы­та­ясь дать её про­гноз. В древ­но­сти по­лу­чи­ли рас­про­стра­не­ние пред­ска­за­ния по­го­ды по дви­же­ни­ям пла­нет и фа­зам Лу­ны. Ис­поль­зо­ва­лись так­же при­ме­ты по­го­ды, свя­зан­ные с цер­ков­ным ка­лен­да­рём. Напр., по­го­да ка­ж­до­го ме­ся­ца на­сту­паю­ще­го го­да оп­ре­де­ля­лась по по­го­де на Ро­ж­де­ст­во и в по­сле­дую­щие 11 дней. Опуб­ли­ко­ван­ная в 1488 кн. «Прак­ти­ка» нем. ас­т­ро­ло­га И. Эн­ге­ля до­нес­ла до нас, по-ви­ди­мо­му, пер­вый про­гноз по­го­ды на ка­ж­дый день на­сту­паю­ще­го го­да. По­ми­мо ас­т­ро­ло­ги­че­ских и ка­лен­дар­ных, для пред­ска­за­ний по­годы до­воль­но ши­ро­ко ис­поль­зо­ва­лись нар. при­ме­ты, в т. ч. свя­зан­ные с ат­мо­сфер­ны­ми яв­ле­ния­ми. По­доб­ные при­ме­ты, воз­ни­кав­шие в ре­зуль­та­те вни­ма­тель­но­го на­блю­де­ния за ок­ру­жаю­щей сре­дой, име­ли зна­че­ние для по­сле­дую­ще­го раз­ви­тия М. как нау­ки. Пер­вый сис­те­ма­тич. днев­ник по­го­ды при­над­ле­жит англ. пас­то­ру У. Мер­лу и от­но­сит­ся к 1337–43.

Упо­ми­на­ния об из­ме­ре­ни­ях ко­ли­че­ст­ва вы­па­дав­ших осад­ков име­ют­ся в хро­ни­ках стран Древ­не­го ми­ра: Древ­не­го Егип­та, Ас­си­рии, Ва­ви­ло­нии, Ин­дии, Ки­тая и Ко­реи; то­гда же бы­ли из­вест­ны при­бо­ры для из­ме­ре­ния на­прав­ле­ния и ско­ро­сти вет­ра. При­бо­ры для из­ме­рения влаж­но­сти воз­ду­ха упо­ми­на­ют­ся впер­вые в 15 в. в «Тво­ре­ни­ях» кар­ди­на­ла Ни­ко­лая Ку­зан­ско­го, а за­тем в днев­ни­ках Ле­о­нар­до да Вин­чи. Это бы­ли весо­вые гиг­ро­мет­ры, прин­цип дейст­вия ко­то­рых ос­но­ван на из­ме­ре­нии уве­ли­че­ния ве­са су­хо­го гиг­ро­ско­пич­но­го ма­те­риа­ла при рос­те влаж­но­сти воз­ду­ха. Бо­лее цен­ным для нау­ки явил­ся изо­бре­тён­ный Фер­ди­нан­дом II Тос­кан­ским кон­ден­са­ци­он­ный гиг­ро­метр. Од­на­ко ста­нов­ле­ние М. как нау­ки в со­вре­мен­ном её по­ни­ма­нии на­ча­лось в 17 в. с изо­бре­те­ния осн. при­бо­ров для про­из-ва ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ний. Наи­боль­ший вклад в на­ла­жи­ва­ние ин­ст­ру­мен­таль­ных ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ний при­над­ле­жит итал. учё­ным, и пре­ж­де все­го Г. Га­ли­лею с уче­ни­ка­ми, ко­то­ры­ми бы­ли вы­ска­за­ны идеи соз­да­ния тер­мо­мет­ра, ба­ро­мет­ра и до­ж­де­ме­ра. К сер. 17 в. в Ита­лии в не­ма­лом ко­ли­че­ст­ве из­го­тав­ли­ва­лись спир­то­вые тер­мо­мет­ры и ртут­ные ба­ро­мет­ры. Но­вую эпо­ху в гиг­ро­мет­рии со­ста­ви­ли тру­ды швейц. ес­те­ст­во­ис­пы­та­те­ля О. Б. Сос­сю­ра, при­ме­нив­ше­го для из­ме­ре­ния влаж­но­сти воз­ду­ха обез­жи­рен­ные во­ло­сы и оп­ре­де­лив­ше­го их «точ­ку край­ней влаж­но­сти» (на­сы­ще­ния) под ко­ло­ко­лом. На ос­но­ва­нии ис­сле­до­ва­ний Сос­сю­ра П. Л. Дю­лон­гом, Ж.  Л. Гей-Люс­са­ком был раз­ра­бо­тан но­вый пси­хро­мет­рич. ме­тод из­ме­ре­ния влаж­но­сти, ши­ро­ко прак­ти­куе­мый и в на­ше вре­мя. По­сто­ян­ные ин­ст­ру­мен­таль­ные на­блю­де­ния при­зем­но­го ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния на­ча­лись во Фран­ции (Па­риж, Клер­мон) и в Шве­ции (Сток­гольм) в 1640-х гг., темп-ры воз­ду­ха – в 1654 в Ита­лии (Фло­рен­ция). Из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­стик со­стоя­ния ат­мо­сфе­ры вда­ли от зем­ной по­верх­но­сти ста­ли воз­мож­ны мно­го позд­нее.

Пер­вая ме­ж­ду­нар. ме­тео­ро­ло­гич. сеть бы­ла ор­га­ни­зо­ва­на в 1654 Фер­ди­нан­дом II Тос­кан­ским. Семь из его стан­ций рас­по­ла­га­лись в Сев. Ита­лии и че­ты­ре в Вар­ша­ве, Па­ри­же, Ин­сб­ру­ке и Ос­на­б­рю­ке. Во Фло­рен­ции еже­днев­но осу­ще­ст­в­ля­лось 15 на­блю­де­ний. Сле­дую­щей важ­ной ве­хой в раз­ви­тии ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ний яви­лось соз­да­ние в 1780 се­ти из 39 стан­ций, две из ко­то­рых на­хо­ди­лись в Сев. Аме­ри­ке. В Рос­сии пер­вый ряд ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ний про­из­ве­дён в 1724–25 в С. -Пе­тер­бур­ге. Лон­дон­ское ко­ро­лев­ское об-во, раз­ра­бо­тав­шее в эти же го­ды пер­вую ин­ст­рук­цию по про­ве­де­нию ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ний, ста­ло со­би­рать и ре­гу­ляр­но пуб­ли­ко­вать ре­зуль­та­ты на­блю­де­ний, осу­ще­ст­в­ляв­ших­ся в разл. ев­роп. стра­нах. В 1730-х гг. уча­ст­ни­ка­ми Ве­ли­кой Сев. экс­пе­ди­ции под рук. В. Бе­рин­га в Си­би­ри бы­ла ор­га­ни­зо­ва­на сеть из две­на­дца­ти ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций. Ме­тео­ро­ло­гич. сеть стан­ций в совр. по­ни­ма­нии это­го сло­ва впер­вые соз­да­на Ман­гейм­ским ме­тео­ро­ло­гич. об-вом (Гер­ма­ния) в сер. 18 в.

В сер. 19 в. во мно­гих стра­нах ста­ли воз­ни­кать спец. ме­тео­ро­ло­гич. уч­ре­ж­де­ния, од­но из пер­вых ор­га­ни­зо­ва­ла в 1855 Ве­ли­ко­бри­та­ния. За­тем ме­тео­ро­ло­гич. служ­бы поя­ви­лись в др. ев­роп. стра­нах и в США. В 1849 в С.-Пе­тер­бур­ге от­кры­лась Глав­ная фи­зич. об­сер­ва­то­рия, сре­ди за­дач ко­то­рой – ор­га­ни­за­ция и по­все­днев­ное ру­ко­во­дство ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ния­ми на всей тер­ри­то­рии Рос­сии. В 1872 при Глав­ной фи­зич. об­сер­ва­то­рии соз­да­на служ­ба по­го­ды, на ба­зе ко­то­рой воз­ник­ла совр. Гид­ро­ме­тео­ро­ло­гич. служ­ба Рос­сии. Глав­ная же фи­зич. об­сер­ва­то­рия, бу­ду­чи пе­ре­име­но­ва­на в Глав­ную гео­фи­зич. об­сер­ва­то­рию (с 1924), про­дол­жа­ет ра­бо­тать как один из ве­ду­щих на­уч. цен­тров Рос­сии по фи­зи­ке и хи­мии ат­мо­сфе­ры.

В 1873 в Ве­не со­сто­ял­ся пер­вый Ме­ж­ду­нар. ме­тео­ро­ло­гич. кон­гресс, ко­то­рый ре­ко­мен­до­вал, ка­кие имен­но кон­ст­рук­ции ме­тео­ро­ло­гич. при­бо­ров на­до ис­поль­зо­вать, по ка­ким пра­ви­лам и в ка­кие сро­ки про­из­во­дить на­блю­де­ния, как об­ме­ни­вать­ся дан­ны­ми на­блю­де­ний ме­ж­ду стра­на­ми. Кон­гресс соз­дал По­сто­ян­ный к-т ди­рек­то­ров нац. ме­тео­ро­ло­гич. служб, на ос­но­ве ко­то­ро­го дейст­ву­ет совр. Все­мир­ная ме­тео­ро­ло­ги­че­ская ор­га­ни­за­ция (ВМО).

Од­ной из про­блем в фи­зи­ке и М. в 18 в. и от­час­ти в 19 в. бы­ло при­ме­не­ние в раз­ных стра­нах разл. тем­пе­ра­тур­ных шкал. Напр., нем. фи­зик И. Г. Лам­берт опи­сал 19 шкал. Об­щее же их чис­ло до­хо­ди­ло до 60, и не­ко­то­рые, напр. шка­ла Де­ли­ля, ис­поль­зо­ва­лись в Рос­сии ещё в 1-й пол. 19 в. Зна­чи­тель­но доль­ше удер­жа­лась Ре­о­мю­ра шка­ла, а Фа­рен­гей­та шка­ла до сих пор ис­поль­зу­ет­ся ме­тео­ро­ло­гич. служ­бой США, Ве­ли­ко­бри­та­нии и др. анг­лоя­зыч­ных стран. В 1927 при­ня­та Ме­ж­ду­на­род­ная прак­ти­че­ская тем­пе­ра­тур­ная шка­ла.

Важ­ность и боль­шая прак­тич. поль­за служ­бы по­го­ды, ос­но­ван­ной на дан­ных ин­ст­ру­мен­таль­ных ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ний, бы­ла осоз­на­на вы­даю­щи­ми­ся учё­ны­ми (А. Л. Ла­ву­а­зье во Фран­ции и М. В. Ло­мо­но­со­вым в Рос­сии) ещё в 18 в. Встал во­прос о со­став­ле­нии спец. карт, позд­нее на­зван­ных си­ноп­ти­че­ски­ми (от греч. σύνοψις  – обо­зре­ние). С по­мо­щью та­ких карт бы­ло лег­че со­пос­тав­лять дан­ные на­блю­де­ний раз­ных ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций. Та­кие кар­ты, при­ме­няв­шие­ся в ис­сле­до­ва­тель­ских це­лях, поя­ви­лись в 1-й пол. 19 в. По­сле изо­бре­те­ния те­ле­гра­фа воз­ник­ла воз­мож­ность опе­ра­тив­но­го со­став­ле­ния карт про­гно­зов по­го­ды и ис­поль­зо­ва­ния их для опо­ве­ще­ний о штор­мах и др. опас­ных яв­ле­ни­ях при­ро­ды. Од­ним из сти­му­лов для ор­га­ни­за­ции та­кой опе­ра­тив­ной ра­бо­ты ста­ла бу­ря 2(14).11.1854 у бе­ре­гов Кры­ма, имев­шая ка­та­ст­ро­фич. по­след­ст­вия для анг­ло-франц. фло­та, оса­ж­дав­ше­го Се­ва­сто­поль. Со­ста­вив зад­ним чис­лом кар­ты по­го­ды, ди­рек­тор Па­риж­ской об­сер­ва­то­рии У. Ле­ве­рье смог про­сле­дить путь этой бу­ри к бе­ре­гам Кры­ма из Сре­ди­зем­но­мо­рья и тем са­мым до­ка­зал прин­ци­пи­аль­ную воз­мож­ность её пред­ска­за­ния с не­ко­то­рой за­бла­го­вре­мен­но­стью. Прак­тич. служ­ба про­гно­зов по­го­ды с са­мо­го на­ча­ла име­ла ме­ж­ду­нар. ха­рак­тер, ибо по­го­да не зна­ет гра­ниц. Сна­ча­ла в её функ­ции вхо­ди­ла толь­ко ин­фор­ма­ция о те­ку­щей по­го­де. Но вско­ре её ста­ли до­пол­нять штор­мо­вы­ми опо­ве­ще­ния­ми и да­же крат­ко­сроч­ны­ми про­гно­за­ми по­го­ды. Та­кие про­гно­зы не все­гда встре­ча­ли по­все­ме­ст­ное одоб­ре­ние. Так, с 1860 ор­га­ни­за­тор англ. служ­бы по­го­ды Р. Фиц­рой на­чал пе­ча­тать ме­тео­ро­ло­гич. про­гно­зы в газ. «Таймс». Но серь­ёз­ные ошиб­ки в его про­гно­зах при­ве­ли спец. ко­мис­сию, соз­дан­ную для рас­смот­ре­ния их ка­че­ст­ва, к вы­во­ду, что не име­ет­ся на­уч. ос­нова­ний для еже­днев­ных пред­ска­за­ний по­го­ды, и пуб­ли­ка­ция про­гно­зов пре­кра­ти­лась. Од­на­ко штор­мо­вые пре­ду­пре­ж­де­ния Фиц­роя бы­ли по­пу­ляр­ны у англ. мо­ря­ков. Сход­ным об­ра­зом об­стоя­ло де­ло с на­ла­жи­ва­ни­ем служ­бы про­гно­зов по­го­ды и в др. стра­нах. В Рос­сии служ­ба штор­мо­вых пре­ду­пре­ж­де­ний ор­га­ни­зо­ва­на в 1874 и сна­ча­ла ог­ра­ни­чива­лась пуб­ли­ка­ция­ми ин­фор­ма­ции о те­ку­щей по­го­де и штор­мо­вы­ми опо­ве­ще­ния­ми мо­ря­ков. С кон. 19 в. на­ча­лось со­став­ле­ние пред­ска­за­ний подъ­ё­ма уров­ня во­ды в р.  Не­ва. Ну­ж­ды с. х-ва и бы­ст­ро раз­ви­вав­шей­ся то­гда в Рос­сии ж.-д. се­ти по­тре­бо­ва­ли со­став­ле­ния дол­го­сроч­ных про­гно­зов по­го­ды.

Пер­вая по­пыт­ка рас­счи­тать ат­мо­сфер­ные дви­же­ния на су­тки впе­рёд по урав­не­ни­ям гид­ро­ди­на­ми­ки с учё­том Ко­рио­ли­са си­лы пред­при­ня­та в 1922 англ. ис­сле­до­ва­те­лем Л. Ф. Ри­чард­со­ном. Ус­пехи ди­на­мич. М. это­го пе­рио­да свя­за­ны с име­на­ми нор­веж­ца В. Бьёрк­не­са, ав­ст­рий­ца М. Мар­гу­ле­са, анг­ли­ча­ни­на У. Н. Шоу, шве­да К. Г. Росс­би, сов. учё­ных А. А. Фрид­ма­на, Н. Е. Ко­чи­на, И. А. Ки­бе­ля, Л. В. Кел­ле­ра. Ки­бе­лю при­над­ле­жит пер­вое ре­ше­ние за­да­чи от­де­ле­ния в про­гностич. ре­ше­ни­ях урав­не­ний ди­на­ми­ки ат­мо­сфе­ры по­го­до­об­ра­зую­щих волн от зву­ко­вых и гра­ви­тационных. Ри­чард­сон не внёс соответствующих поправок, что и обу­сло­ви­ло не­уда­чу его вы­чис­ле­ний. Де­ся­ти­ле­ти­ем позд­нее Ки­бе­ля про­гно­стич. за­да­чу с раз­де­ле­ни­ем ат­мо­сфер­ных дви­же­ний ре­шил амер. ме­тео­ро­лог Дж. Чар­ни. Боль­шой вклад в раз­ви­тие гид­ро­ди­на­мич. ме­то­да опи­са­ния об­щей цир­ку­ля­ции ат­мо­сфе­ры вне­сли амер. учёные во гла­ве с Росс­би и Б. Га­ур­ви­цем. Даль­ней­шее раз­ви­тие это­го на­прав­ле­ния в СССР свя­за­но с ис­сле­до­ва­ния­ми Г. И. Мар­чу­ка, А. С. Мо­ни­на, А. М. Обу­хо­ва, Е. Н. Бли­но­вой, Н. И. Бу­ле­ва, М. И. Юди­на, А. Ф. Дю­бю­ка и др.

С 1950-х гг. на­ча­лось ин­тег­ри­ро­ва­ние урав­не­ний гид­ро- и тер­мо­ди­на­ми­ки ат­мо­сфе­ры на элек­трон­ных вы­чис­лит. ма­ши­нах для це­лей крат­ко­сроч­но­го (на 1–3 дня) про­гно­за по­го­ды. Не­сколь­ко позд­нее на бо­лее мощ­ных ма­ши­нах на­ча­лись так­же чис­лен­ные экс­пе­ри­мен­ты по рас­чё­ту ха­рак­те­ри­стик об­щей цир­ку­ля­ции ат­мо­сфе­ры. Си­ноп­тич. М. ста­ла бы­ст­ро раз­ви­вать­ся бла­го­да­ря тру­дам учё­ных Нор­ве­гии (В. Бьёрк­нес, Я. Бьёрк­нес, П. Соль­берг, Т. Бер­же­рон) и СССР (С. П. Хро­мов, Х. П. По­го­сян, В. А. Бу­га­ев, В. А. Джорд­жио, Н. Л. Та­бо­ров­ский, Б.  Д. Ус­пен­ский). Гид­ро­ди­на­мич. мо­де­ли ат­мо­сфе­ры, ко­то­рые вна­ча­ле от­но­си­лись к ог­ра­ни­чен­ным тер­ри­то­ри­ям (напр., ох­ва­ты­вая толь­ко Сев. Ат­лан­ти­ку, Ев­ро­пу и тер­ри­то­рию быв. СССР), строи­лись сна­ча­ла для по­лу­ша­рий, а за­тем ста­ли гло­баль­ны­ми. Вме­сте с тем поя­ви­лись де­та­ли­зо­ван­ные чис­лен­ные про­гно­стич. гид­ро­ди­на­мич. мо­де­ли ло­каль­ной по­го­ды, ко­то­рые ис­поль­зу­ют по­лу­шар­ные или гло­баль­ные про­гно­зы бу­ду­щих со­стоя­ний ат­мо­сфе­ры на гра­ни­цах рас­смат­ри­вае­мой об­лас­ти для про­гно­за на те­ку­щие су­тки. Для пред­ска­за­ний по­го­ды на сред­ние сро­ки (до 1–2 нед впе­рёд) в гло­баль­ных мо­делях вы­чис­ля­ет­ся бу­ду­щее со­стоя­ние не толь­ко ат­мо­сфе­ры, но и по­верх­но­ст­но­го слоя океа­на и учи­ты­ва­ет­ся взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду обеи­ми сре­да­ми. В ре­зуль­та­те совр. про­гно­зы на пять дней не ус­ту­па­ют про­гно­зам на зав­тра, со­став­ляв­шим­ся 50 лет на­зад. Раз­ра­бот­ка дол­го­сроч­ных про­гно­зов по­го­ды свя­за­на в СССР с име­на­ми ме­тео­ро­ло­гов Б.  П. Муль­та­нов­ско­го, Е. Н. Бли­но­вой, С. Т. Па­га­вы, А. А. Ги­ре, А. Л. Ка­ца, Н. А. Баг­ро­ва и др. Даль­ней­шее раз­ви­тие это­го на­прав­ле­ния су­ще­ст­вен­но ос­лож­ня­ет­ся т. н. про­бле­мой пред­ска­зуе­мо­сти, суть ко­то­рой в том, что ма­лые не­точ­но­сти в за­да­нии на­чаль­но­го со­стоя­ния ат­мо­сфе­ры (а они не­из­беж­ны из-за не­пол­но­ты и оши­бок ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ний) в си­лу не­ли­ней­но­сти ат­мо­сфер­ной ди­на­ми­ки (воз­душ­ный по­ток пе­ре­но­сит свои свой­ст­ва, транс­фор­ми­ру­ясь сам) рас­тут во вре­ме­ни со всё воз­рас­таю­щей ско­ро­стью и че­рез не­ко­то­рое вре­мя (оп­ре­де­ляе­мое как пре­дел пред­ска­зуе­мо­сти) ка­че­ст­во про­гно­за ока­зы­ва­ет­ся не луч­ше, чем при слу­чай­ном уга­ды­ва­нии. За­слу­га в фор­му­ли­ров­ке про­бле­мы пред­ска­зуе­мо­сти при­над­ле­жит амер. ме­тео­ро­ло­гу Э. Ло­рен­цу. Он оце­нил, что пре­дел пред­ска­зуе­мо­сти круп­но­мас­штаб­ных ме­тео­ро­ло­гич. по­лей в од­ну не­де­лю в прин­ци­пе мож­но про­длить до ме­ся­ца. Вы­пол­няе­мые под эги­дой ВМО ис­сле­до­ва­ния си­стем на­блю­де­ний и экс­пе­ри­мен­ты по пред­ска­зуе­мо­сти (ТОРПЕКС) име­ют це­лью че­рез де­ся­ти­ле­тие ото­дви­нуть пре­дел пред­ска­зуе­мо­сти до двух не­дель. Ос­нов­ная на­де­ж­да на дос­ти­же­ние это­го свя­за­на с эф­фек­тив­ным ис­поль­зо­ва­ни­ем совр. су­пер­ком­пь­ю­те­ров. Это по­зво­лит сде­лать гло­баль­ные про­гно­стич. мо­де­ли ат­мо­сфе­ры и океа­на столь же де­таль­ны­ми, как совр. мо­де­ли для це­лей ло­каль­но­го про­гно­за. Но, да­же ес­ли эта цель бу­дет дос­тиг­ну­та, в чём со­мне­ва­ют­ся не­ко­то­рые ме­тео­ро­ло­ги, дол­го­сроч­ный про­гноз по­го­ды (на ме­сяц и се­зон) всё ещё не­дос­ти­жим.

Ак­ти­но­мет­рия наи­бо­лее ак­тив­но ста­ла раз­ви­вать­ся в 20 в. Боль­шой вклад в раз­ра­бот­ку ме­то­дов и при­бо­ров для из­ме­ре­ния лу­чи­стой энер­гии и соз­да­ние се­ти ак­ти­но­мет­рич. стан­ций в СССР вне­сли О. Д. Хволь­сон, В. А. Ми­хель­сон, С. И. Са­ви­нов, Н. Н. Ка­ли­тин, Ю. Д. Яни­шев­ский; в США – С.  Ленг­ли, Ч. Г. Аб­бот; в Гер­ма­нии – Ф. Лин­ке; в Шве­ции – А. Онг­ст­рем. Важ­ней­шие тру­ды по тео­рии пе­ре­но­са лу­чи­стой энер­гии в ат­мо­сфе­ре при­над­ле­жат учё­ным Е. С. Куз­не­цо­ву, В. В. Шу­лей­ки­ну, В. Е. Зуе­ву, В. Г. Ко­ст­ро­ву, К. С. Шиф­ри­ну, а по из­ме­ре­ни­ям ра­диа­ции с ис­кусств. спут­ни­ков Зем­ли – К. Я. Кон­д­рать­е­ву. Круп­ных ре­зуль­та­тов в изу­че­нии фи­зи­ки обла­ков и осад­ков до­би­лись в СССР Н. С. Шиш­кин, А. Х. Хрги­ан, А. М. Бо­ро­ви­ков, И. П. Ма­зин. Про­бле­му по ис­кус­ств. воз­дей­ст­вию на об­ла­ка, сфор­му­ли­ро­ван­ную В. Н. Обо­лен­ским в 1930-е гг., до­ве­ли до прак­тич. ре­зуль­та­тов Е. К. Фё­до­ров, Г. К. Су­ла­к­ве­лид­зе, И. И. Гай­во­рон­ский и др. учё­ные, удо­сто­ен­ные Гос. пре­мии. Боль­шое дос­ти­же­ние в М. – со­з­да­ние служ­бы по ис­сле­до­ва­нию ат­мо­сфер­ных за­гряз­не­ний под рук. Е. К. Фёдо­ро­ва и Ю. А. Из­ра­эля.

Методы исследований

М. как нау­ка опи­ра­ет­ся на фак­тич. све­де­ния об ат­мо­сфе­ре, по­го­де и кли­ма­те, мно­го­лет­ние не­пре­рыв­ные ря­ды на­блю­де­ний, ко­то­рые в пер­вую оче­редь по­став­ля­ет сеть ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций все­го зем­но­го ша­ра. На­блю­де­ния про­во­дят­ся син­хрон­но по еди­но­му грин­вич­ско­му вре­ме­ни в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 и 21 час стан­дарт­ным на­бо­ром ме­тео­ро­ло­ги­че­ских при­бо­ров. В ме­тео­ро­ло­гич. ис­сле­до­ва­ни­ях поль­зу­ют­ся как фи­зич., так и гео­гра­фич. ме­то­да­ми. Ана­лиз ре­зуль­та­тов на­блю­де­ний ис­поль­зу­ет­ся в М. как сред­ст­во для вы­яс­не­ния при­чин­ных свя­зей изу­чае­мых ат­мо­сфер­ных яв­ле­ний. Ог­ром­ные мас­си­вы ме­тео­ро­ло­гич. на­блю­де­ний об­ра­ба­ты­ва­ют­ся с по­мо­щью совр. ста­ти­стич. ме­то­дов, ко­то­рые вы­яв­ля­ют фак­ты и свя­зи ме­ж­ду ни­ми, а объ­яс­ня­ют их за­ко­ны фи­зи­ки, в ча­ст­но­сти за­ко­ны дви­же­ния сплош­ной сре­ды, и гео­гра­фич. за­ко­но­мер­но­сти; при этом ис­поль­зу­ет­ся фи­зи­ко-ма­те­ма­тич. ана­лиз. Из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­стик со­стоя­ния ат­мо­сфе­ры вда­ли от зем­ной по­верх­но­сти ста­ли воз­мож­ны при ис­поль­зо­ва­нии воз­душ­ных зме­ев и аэ­ро­ста­тов, а так­же пу­тём из­ме­ре­ний дав­ле­ния, темп-ры воз­ду­ха и др. на гор­ных скло­нах. Ре­во­лю­ци­он­ным для аэ­ро­ло­гии ста­ло ос­на­ще­ние воз­душ­ных ша­ров спе­ци­аль­но раз­ра­бо­тан­ной из­ме­рит. ап­па­ра­ту­рой, с ко­то­рой темп-ра воз­ду­ха и др. по­ка­за­те­ли ав­то­ма­ти­че­ски счи­ты­ва­лись и пе­ре­да­ва­лись по ра­дио на Зем­лю. Та­кие ша­ры бы­ли на­зва­ны ра­дио­зон­да­ми. За­слу­га соз­да­ния пер­во­го ра­дио­зон­да в 1930 при­над­ле­жит сов. учё­но­му П. А. Мол­ча­но­ву. Во 2-й пол. 20 в. для ме­тео­ро­ло­гич. ис­сле­до­ва­ний стра­то­сфе­ры и бо­лее вы­со­ких сло­ёв ат­мо­сфе­ры на­ча­ли при­ме­нять ме­тео­ро­ло­гич. ра­ке­ты, а в 1960 был за­пу­щен пер­вый ме­тео­ро­ло­гич. спут­ник. В совр. М. ис­поль­зу­ют­ся но­вей­шие ме­то­ды дис­тан­ци­он­ных ис­сле­до­ва­ний ат­мо­сфе­ры с ор­би­таль­ных и ста­цио­нар­ных ис­кусств. спут­ни­ков Зем­ли, обо­ру­до­ван­ных те­ле­виз. ка­ме­ра­ми для про­сле­жи­ва­ния об­лач­но­го и ле­до­во­го по­кро­вов Зем­ли в ви­ди­мых и ин­фра­крас­ных лу­чах, ра­дио­ло­кац. ра­дио­мет­рич. ап­па­ра­ту­ры и ла­зе­ров. Спут­ни­ко­вые ра­дио­мет­ры и спек­тро­мет­ры из­ме­ря­ют ин­тен­сив­ность сол­неч­ной ра­диа­ции, от­ра­жён­ной от Зем­ли, а так­же ин­фра­крас­ной и мик­ро­вол­но­вой ра­диа­ции, из­лу­чае­мой зем­ной по­верх­но­стью, об­ла­ка­ми и са­мой ат­мо­сфе­рой. Од­на­ко спут­ни­ко­вые ра­ди­ац. дан­ные со­дер­жат ин­фор­ма­цию толь­ко о до­воль­но силь­но сгла­жен­ных по вер­ти­ка­ли ме­тео­ро­ло­гич. ха­рак­те­ри­сти­ках со­стоя­ния ат­мо­сфе­ры. По­это­му со­хра­ня­ет­ся не­об­хо­ди­мость в дос­та­точ­но гус­той се­ти ра­дио­зон­до­вых на­блю­де­ний, ис­поль­зо­ва­нии ко­раб­лей по­го­ды – спе­ци­аль­но обо­ру­до­ван­ных су­дов, по­сто­ян­но ра­бо­таю­щих в тех рай­онах Ми­ро­во­го ок., ко­то­рые яв­ля­ют­ся клю­че­вы­ми для раз­ви­тия ат­мо­сфер­ных про­цес­сов или очень уда­лён­ны­ми от су­ши. Про­дол­жа­ют на­блю­де­ния ме­тео­ро­ло­гич. ра­ке­ты и са­мо­лё­ты-ла­бо­ра­то­рии, сеть буй­ко­вых ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций.

На­уч­ные ор­га­ни­за­ции и пе­рио­ди­че­ские из­да­ния. Про­бле­мы М. в Рос­сии изу­ча­ют в ор­га­ни­за­ци­ях Фе­де­раль­ной служ­бы Рос­сии по гид­ро­ме­тео­ро­ло­гии и мо­ни­то­рин­гу ок­ру­жаю­щей сре­ды (Гид­ро­ме­тео­ро­ло­ги­че­ский центр Рос­сий­ской Фе­де­ра­ции, Все­рос. н.-и. институт гид­ро­ме­тео­ро­ло­гич. ин­фор­ма­ции – Ми­ро­вой центр дан­ных в г. Об­нинск, Глав­ная гео­фи­зи­че­ская об­сер­ва­то­рия им. А. И. Во­ей­ко­ва в С.-Пе­тер­бур­ге, Цен­траль­ная аэ­ро­ло­гич. об­сер­ва­то­рия в г. Дол­го­пруд­ном, Ин-т гло­баль­но­го кли­ма­та и гео­эко­ло­гии, Арк­ти­че­ский и Ан­тарк­ти­че­ский ин­сти­тут, Гид­ро­ло­ги­че­ский ин­сти­тут) и РАН (Ин-т вы­чис­лит. ма­те­ма­ти­ки, Ин-т фи­зи­ки ат­мо­сфе­ры им. А. М. Обу­хо­ва, Гео­гра­фии ин­сти­тут, Океа­но­ло­гии ин­сти­тут, Фи­зи­ки Зем­ли ин­сти­тут и др.), в уни­вер­си­те­тах на ка­фед­рах ме­тео­ро­ло­гии, в не­ко­то­рых ве­дом­ст­вен­ных ин­сти­ту­тах в со­от­вет­ст­вии с их про­фи­лем. Боль­шое зна­че­ние для М. име­ет ме­ж­ду­нар. коо­пе­ра­ция, ко­то­рая (в от­но­ше­нии на­уч. и ор­га­ни­зац. ме­ро­прия­тий) ко­ор­ди­ни­ру­ет­ся че­рез ВМО, Ме­ж­ду­нар. со­юз гео­фи­зи­ки и гео­де­зии, Меж­ду­нар. био­кли­ма­тич. об-во и др.

Рос. жур­на­лы и про­дол­жаю­щие­ся из­да­ния, пуб­ли­кую­щие ма­те­риа­лы в об­лас­ти М.: «Ме­тео­ро­ло­гия и гид­ро­ло­гия» (с 1935), «Тру­ды Го­су­дар­ст­вен­но­го гид­ро­ло­ги­че­ско­го ин­сти­ту­та», «Тру­ды Гид­ро­мет­цен­тра РФ».

Почему прогнозы погоды бывают неточными? Наука прогнозирования

Вы планируете путешествие, надеетесь и внимательно следите за прогнозом. Тем не менее, ваш долгожданный отпуск испорчен незваным гостем — плохой погодой. Прогноз погоды заверял вас, что на выходных будет «в основном солнечно», но вы на собственном горьком опыте обнаружили, что дождь часто не заботится о прогнозах.

Без сомнения, у каждого есть своя версия истории о том, как «планы были испорчены прогнозами погоды». Но почему наши прогнозы погоды так раздражающе неточны? Почему даже со всеми технологическими чудесами в мире предсказать погоду по-прежнему сложно?

Насколько точны прогнозы погоды?

Прогнозы погоды часто ошибаются, но не так часто, как вы думаете. Мы склонны сосредотачиваться в основном на том, что идет не так, поэтому кажется, что прогнозы всегда неточны. Пятидневный прогноз на самом деле довольно точен — прогнозы верны примерно в 90% случаев. Для семидневного прогноза цифры снижаются примерно до 80%. Но добавьте больше дней, и неопределенность неизбежно возрастет.

Читайте также: Почему меняются времена года?

Для десятидневного прогноза у вас есть шанс примерно 50 на 50, что все пойдет правильно. Так что, доверяйте такому прогнозу на свой страх и риск. Сегодня эти цифры также намного лучше, чем раньше. Пятидневный прогноз сегодня имеет такую ​​же точность, как однодневный прогноз в 1980 году.

Как работает прогноз погоды?

Прогнозирование погоды — это сложный процесс, который включает в себя множество данных, математических моделей и вычислений. Накопляется и анализируется множество данных из разных источников, таких как спутники. Мощные компьютеры используют эти данные для прогнозирования.

Идея использования численного анализа для предсказания погоды возникла в 1920-х годах в работах Льюиса Фрая Ричардсона. Позже, с помощью суперкомпьютеров, это стало более практичным подходом. Чтобы определить состояние атмосферы в любой точке и, следовательно, сделать прогноз, необходимо учитывать несколько различных переменных. Они имеют дело с ветром, температурой, давлением и другими параметрами. Переменные используются в качестве начальных условий, которые можно использовать в математических моделях. Модели разрабатываются на основе закономерностей исторических данных и типичного поведения погоды.

Успехи в сборе данных и вычислительная мощность компьютеров также помогают объяснить, почему современные прогнозы так резко улучшились.

Почему прогнозы погоды бывают неточны?

Итак, в каком случае что-то идет не так? Мы используем состояние погоды сегодня, чтобы определить, какой она может быть завтра. Огромное количество переменных, участвующих в этом процессе, является причиной того, что погоду часто трудно предсказать.

Эксперимент Лоренца

Именно эксперимент по предсказанию погоды привел к формулировке теории хаоса. В 1961 году Эдвард Лоренц попытался создать модель точного прогноза погоды. Он вводил значения, представляющие различные атмосферные переменные, в компьютер, чтобы прогнозировать погоду.

В этом эксперименте он обнаружил кое-что совершенно случайно. Когда он сократил значения всего до трех знаков после запятой — по сравнению с оригиналом, в котором было шесть знаков после запятой, — он дал совершенно другие результаты. Погрешность менее одной тысячной в начальных условиях давала прогнозы, которые выглядели так, как будто не имели никакого отношения друг к другу.

Статья по теме: В чем заключается суть изменения климата?

Теория хаоса описывает системы, которые проявляют исключительную чувствительность к начальным условиям. Погода непредсказуема, потому что это хаотическая система.

Если вы посмотрите на две хаотические системы с почти одинаковыми начальными условиями, то за очень короткое время это «почти» — крошечная вариация — перерастет в огромные вариации состояния системы. Два разных прогноза, которые выглядели очень похожими, могли быстро превратиться в совершенно разные погодные условия.

Совершенство невозможно

Мы не можем учесть все переменные, определяющие состояние погоды. Мы также не можем определить их с идеальной точностью. Если бы теоретически мы могли делать и то, и другое, тогда и только тогда мы могли бы получить систему, которая могла бы предсказывать погоду со 100% точностью.

Но увы, это невозможно. Мы можем собирать больше данных и повышать точность наших данных. Мы можем использовать более совершенные суперкомпьютеры и улучшить разрешение наших атмосферных изображений, но невозможно нанести на карту каждую молекулу и ее траекторию в атмосфере. Поэтому наши данные всегда будут неполными, а наши результаты будут неточными, по крайней мере, с небольшим отрывом. Всегда будет некоторое количество предположений, которые могут исказить окончательные результаты.

Движение вперед

Мы очень часто ругаемся на сводки погоды и метеорологов за то, что они вводят нас в заблуждение, но с этого момента давайте им немного слабины. Они действительно стараются изо всех сил. Погоду просто очень трудно предсказать! Это также не означает, что мы отвергаем погоду как нечто, что мы не можем решить. Очевидно, что прогнозирование всегда становится лучше из года в год.

Одним из лучших напоминаний об этом является то, что ураганы, которые когда-то унесли жизни тысяч людей, теперь приводят к гораздо меньшему количеству погибших. Прогнозирование погоды, возможно, никогда не будет совершенной наукой, но это чрезвычайно важная наука, и достижения показывают, что она будет только улучшаться!

Что такое химическая погода и почему нам надо о ней знать · Город 812

Необходимо прогнозировать не только обычную (по научному – метеорологическую), но и химическую погоду, – считает Сергей Смышляев, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории моделирования атмосферных процессов Российского государственного гидрометеорологического университета.

Недавно городские и федеральные службы, «отвечающие» за погоду в Петербурге, сообщили, что им удалось совместить информацию, получаемую от сети стационарных постов вне зависимости от их ведомственной принадлежности (25  подчинены городу, 9 федеральные). Поможет ли это делать более качественные прогнозы? Подробности Сергей Смышляев рассказал «Городу 812».

– Что такое химическая погода?

– Про метеорологическую погоду все примерно понимают, и знают, как происходит процесс ее контроля и прогноза. СМИ сообщают текущее состояние  погоды: температура, осадки, атмосферное давление, влажность воздуха, скорость и направление ветра. На основании знания текущего состояния метеорологической погоды дается прогноз по этим параметрам. На ближайшие три дня ему можно верить, если не произойдет каких-то резких изменений.

– Только на три дня?

– Представим себе, что сформировались воздушные массы. Они движутся в определенном направлении, и по скорости их перемещения при помощи математических моделей можно рассчитать погоду до 72 часов вперед. Синоптики еще это делают с помощью карт, они смотрят по ним состояние атмосферы 3, 6 и более часов назад и, сопоставляя данные, предсказывают будущее. На большем временном интервале уже могут играть существенную роль процессы, которые сформируются в эти 72 часа, а их характеристики точно рассчитать или оценить по картам уже намного сложнее.

По нашему мнению, которое разделяют многие наши коллеги в разных странах, по тем же принципам можно определять, контролировать и прогнозировать и качество атмосферного воздуха, в значительной степени определяемое химическими процессами в атмосфере.

Существуют модели, которые позволяют (если в них закладывать текущее значение  концентраций плюс метеорологические параметры) уже сейчас на те же три дня делать прогноз изменения качества воздуха. По аналогии с метеорологической погодой состояние качества воздуха в течение краткосрочного временного периода можно называть химической погодой.

– Почему мы не слышим прогнозов химической погоды?

– Во-первых, химическая погода все же намного сложнее, чем метеорологическая. Всемирная организация здравоохранения установила пять веществ, по которым надо контролировать воздух повсеместно: твердые частицы (ТЧ), озон (О3), двуокись азота (NO2) и двуокись серы (SO2). В 2020 году набор будет пересматриваться и, возможно, будет расширен.

Но для Петербурга, как и для других промышленных центров, список вредных веществ может расширяться и доходить до нескольких десятков и даже сотен в зависимости от состава выбросов и расположения промышленных предприятий. Очевидно, что нужно контролировать содержание других азотных и серных газов и углеводородов, например, формальдегида и ароматических углеводородов.

Плюс в городе велико влияние локальных факторов: уличные «каньоны», отражательная способность крыш, влияние застройки и ее изменения. Особое внимание следует обращать на запахи. Необходимо учитывать, что если горожане жалуются на запахи, то надо четко представлять, какие из них сопутствуют выбросам вредных, токсичных веществ, а какие некомфортные, но не представляют токсической опасности.

– Есть приборы, которые измеряют запахи?

– Мне они неизвестны, но в последнее  время появилось понятие «запах воздуха»,  оно касается не только токсичных газов.

– А другие причины, что нет прогнозов химической погоды?

– В отличие от прогноза обычной погоды, очень велика, вплоть до уголовной, ответственность за загрязнение воздуха и нанесение вреда здоровью населения. Но и прогнозистам надо будет отвечать за свой продукт по полной программе. А ошибки в прогнозах неизбежны. Если столько шума вызывают ошибки в прогнозе обычной погоды, представьте себе, какой резонанс получат ошибки в прогнозе погоды химической. Так что, здесь, вероятно, сошлись интересы промышленных лоббистов и сторонников осторожного подхода.

– Как сдвинуться с мертвой точки?

– У нас есть несколько математических моделей изменения химической погоды.  Мы тестировали их в Казахстане, в Усть-Каменногорске, где расположены угольные шахты и полный промышленный букет. С помощью приборов, установленных нашими партнерами, осуществляется непрерывный мониторинг качества воздуха, и на основе этих данных мы можем делать прогноз, пока на стадии опытного образца. В Петербурге, как и во многих других местах, благодаря усилиям местного правительства и подразделений Росгидромета достаточно успешно развиваются системы мониторинга качества воздуха, т.е. первая часть системы контроля химической погоды. Далее нужна политическая воля, чтобы на основе уже существующей системы контроля качества воздуха, не забывая про ее дальнейшее развитие, перейти ко второй части, т.е. прогнозу химической погоды и доведения информации о ее текущем и будущем состоянии до населения через средства массовой информации, как это делается для метеорологической погоды.

Есть экономические интересы и заинтересованность отдельных предприятий, например в Мурманской области, которым надоели постоянные претензии о загрязнении воздуха, и в некоторых случаях при наличии экономической возможности они готовы, получив прогноз химической погоды, переждать, «прикрутить вентиль» и выбрать более приемлемый с точки зрения влияния на качество воздуха период для экономической деятельности.

В Москве, например, уже существует прообраз системы химической погоды, когда с использованием проверенной французской модели и модели Европейского консорциума, адаптированных для Московского региона, делается прогноз изменения качества воздуха. Там не применяют термин «химическая  погода», но по факту это именно она.

– И можно прочитать прогноз?

– Нет, широко он не публикуется,  но на сайте Мосэкомониторинга при желании можно найти и прогностическую информацию.

– А как дела в  Петербурге?

– Пока все на уровне разговоров. Одно из наших предложений – двигаться в направлении тестирования  как можно большего количества моделей в течение достаточно длительного тестового периода, чтобы существенно уменьшить возможность ошибок прогноза качества воздуха. Цель такой работы не лавры делить, какая модель лучше, а использовать именно несколько моделей, сочетая их плюсы и нивелируя минусы.

Параметры сотрудничества очевидны: метеостанции – городские и федеральные – представляют данные в автоматическом режиме. Мы и ученые из других организаций загружаем их в разные модели. Например, автомобили бегают по КАД на одном участке примерно с одинаковой плотностью в сутки. Померив концентрации контролируемых газов по всей КАД сегодня, можно по диагностической модели оценить выбросы города в целом и по отдельным источникам, внесенным в базу выбросов, и по прогностической модели спрогнозировать, какими концентрации будут завтра, а потом сравнить с новыми замерами.

Между тем в 2019 году РГГМУ отказали в лицензии на право давать метеорологические, гидрологические и океанологические прогнозы. В общем, на любой прогноз. Мы можем вести только мониторинг. Т.е. получается абсурдная ситуация: мы можем учить студентов давать прогнозы, но сами давать эти прогнозы официально не можем.

– Отказали потому, что интересуетесь химической погодой?

– Цитата  из отказа: «… заключающегося в отсутствии у лицензиата возможности подготовки и предоставления потребителям достоверной прогностической информации о загрязнении атмосферного воздуха…»

– Допустим, что все со всеми договорились и составляется  прогноз химической погоды. И вдруг зафиксировано резкое отклонение. Как узнать, кто автор?

– Первое. Посты должны стоять густо. Если от одного до другого  один километр, то погрешность такого же порядка. А предприятия могут располагаться ближе. Иное дело, что вряд ли у соседей одинаковое производство.

Второе. Необходимо проверить, не принесло ли выбросы со стороны.  Для этого используется метод т.н. обратных траекторий, который учитывает направление ветров за последние сутки. Здесь точность также зависит от плотности  размещения станций.

И только проанализировав все данные и осуществив модельный расчет, можно «указывать пальцем».

Кстати, уменьшение шага сетки станций, автоматически передающих данные, сильно усложнит любую модель. Между тем ассимиляция моделью данных измерений – это серьезная научная задача. Надо учесть все ошибки как измерений, так и моделирования – от человеческого фактора до случайных ошибок, в том числе и от случайного скачка напряжения.

– А прогресс в развитии компьютеров не упростит создание моделей химической погоды?

– Развитие компьютерной техники идет рывками.   За сорок лет, пока идет работа над моделями химической погоды, скорость математических расчетов с использованием компьютеров сильно увеличилась, что, конечно, продвинуло решение задачи. Но был период, когда скорость процессоров росла очень быстро. Сейчас она не увеличивается так быстро, как ранее, однако развиваются методы параллельного использования большого количества процессов одновременно.

Ждем нового скачка. Мы и глобальные процессы моделируем, что требует также больших компьютерных ресурсов, например, изменение толщины озонового слоя Земли, и это тоже связано с химическими процессами в атмосфере.

– Раз заговорили про глобальное, скажите тогда: глобальное потепление – это правда или миф?

– Правда. Регулярные измерения температуры идут, если правильно помню,   с  1749 года. И они показывают, что на Земле теплеет. Причем быстрее это происходит в Арктике,  медленнее в Африке. Так что к слову «глобальное» надо осторожнее относиться.

Другое дело, что были на Земле ледниковые периоды. Были периоды,  когда мамонты паслись в Гренландии на зеленой травке.

Кроме того, есть физические предпосылки влияния выбросов парниковых газов на температуру воздуха у поверхности. Если заложить в модели выброс парниковых газов, то она даст потепление, но обмен тем же самым СО2 между атмосферой и океаном может давать даже больший эффект, чем все выбросы промышленные. Потепление – это факт, который подтверждается результатами наблюдений, но причины его, скорее всего, это комбинация естественных и антропогенных факторов.

– Встречаются утверждения, что борьба  с потеплением – это способ добывать деньги под определенные бизнесы.

– И это тоже, вероятно, есть. Серьезно говоря, кроме инструментальных измерений много еще надо ученым поработать.

– Вы постоянно применяли выражение «математическая модель».  Прогноз погоды, нормальной и химической, – удел математиков?

– Академик Гурий Марчук, последний президент АН СССР, верил во всемогущество математики в любой области знания. Изменчивость и физических и химических процессов описывается математическими уравнениями. Чтобы их правильно написать, нужно понимание особенностей физических и химических процессов. Поэтому только совместные усилия и физиков, и химиков, и математиков могут привести нас успеху в улучшении как метеорологических, так и химических прогнозов.

Вадим Шувалов

Синоптическая метеорология | АгроМетео

Географ профессор РАН Дарья Гущина об открытии атмосферных фронтов, истории метеопрогнозирования и гидродинамических моделях.

Синоптическая метеорология — это раздел метеорологии, который ответственен, пожалуй, за самую важную, с точки зрения потребителя, часть науки об атмосфере — за прогноз погоды. Синоптическая метеорология — наука относительно молодая. Мы знаем, что барометр был изобретен очень давно, еще в XVII веке. Но только от изобретения барометра и умения измерять давление до прогноза погоды было еще очень и очень далеко. Хотя многие пытались, давно пытались: и шаманы, и крестьяне в деревнях по народным приметам пытались прогнозировать погоду, но тем не менее как наука синоптическая метеорология сформировалась лишь в середине XIX века. У ее истоков стояли такие замечательные ученые, как известный адмирал Роберт Фицрой (величайший деятель мореплавания и военного дела, в том числе метеорологии) и два Генриха — немецкие ученые Генрих Дове и Генрих Брандес.

Что они придумали? Почему именно их можно назвать тремя китами синоптической метеорологии? Они впервые придумали наносить на карту данные метеонаблюдений. Сейчас это кажется очевидным, а вот в середине XIX века это было совершенно неочевидно. Монахи с XIV века измеряли температуру и давление в монастырях и вели записи. Мореплаватели на кораблях тоже измеряли многие характеристики, но никому в голову не приходило, что если нанести это на карту и посмотреть, как же это распределено по пространству, то можно сделать очень далеко идущие выводы. В частности, Брандес, который первый нанес на карту отклонения давления от нормы, обнаружил, что области пониженного и повышенного давления занимают очень большие пространства: это не в одной точке высокое давление, а в соседней точке низкое, а на самом деле это такие обширные зоны, области, которые мы теперь прекрасно знаем и называем циклонами и антициклонами. Д

ове пошел дальше: он анализировал не только давление, но и температуру. Оба они наносили на карту еще и ветер и обнаружили, что ветер связан с атмосферным давлением — это тоже на тот момент было неизвестно. А дальше всех, пожалуй, пошел Роберт Фицрой, который уже стал говорить о взаимодействии циклонов и антициклонов, то есть областей высокого и низкого давления, с зонами раздела между теплым и холодным воздухом — то, что теперь мы называем атмосферным фронтом. Так вот, Фицрой говорил об этом в 50-х годах XIX века, ему тогда не поверили. И вообще говорят, что Роберт Фицрой (это первая такая печальная история) — жертва в синоптической метеорологии, потому что, как известно, он покончил жизнь самоубийством. И одна из версий, что это потому, что его не признавали, ругали за плохие прогнозы погоды, что они не всегда оправдываются. Нервная система его не выдержала этих бесконечных нападок и практически довела до самоубийства. Так что, синоптическая метеорология — наука неоднозначная и трудная, прогноз погоды дается нелегко.

Идеи Фицроя благополучно забыли, а вернулись к ним только в 20-х годах XX века. И это были уже знаменитые норвежские ученые, так называемая Норвежская школа, которая для целей прогноза погоды ввела так называемый фронтальный анализ. То есть обнаружила, что у воздуха не как-то равномерно изменяется температура, а существуют достаточно большие объемы воздуха, называемые воздушными массами, где свойства атмосферы достаточно однородны и несильно изменяются на расстоянии в сотни, даже пять сотен километров, а между ними существуют резкие переходные зоны, где эти воздушные массы между собой граничат. Эти зоны назвали атмосферными фронтами.

Тоже неудивительно, откуда появилась такая военная терминология (Норвежская школа, как я уже сказала, — это 20-е годы XX века, появилась сразу после Первой мировой войны). И на самом деле то, что сейчас мы видим на синоптических картах, если вы сравните обозначение атмосферных фронтов: теплый фронт — красный, а синий — фронт холодный, а также то, как они представляются, эти линии, то видно очень много общего с военными картами. И символика, и терминология во многом пришли из военного дела именно благодаря тому, что это случилось после Первой мировой войны.

Но это я немного забежала вперед и уже сразу перекинулась к XX веку, забыв сказать об еще одной важной дате, которую считают датой основания синоптической метеорологии. Прогноз погоды актуален, когда мы можем по сегодняшним данным дать прогноз хотя бы на завтра. Во времена, когда перемещались на лошадях и самым быстрым средством передачи информации были, наверное, почтовые голуби, получить данные с разных метеорологических станций, нанести их на карту и по этой карте сделать еще и прогноз и кому-то его разослать было совершенно невозможно. Поэтому, конечно, отправной точкой стало изобретение телеграфа. Но второй очень важной точкой, как очень часто бывает в нашей жизни, оправдывается прекрасная русская поговорка «гром не грянет — мужик не перекрестится». Именно так случилось с синоптической метеорологией. Идеи были, что нужно создать метеорологическую сеть, обмениваться информацией, составлять карты, но никто на это выделять денег не хотел.

В 1854 году случилась знаменитая Балаклавская трагедия, когда в Балаклавской бухте практически полностью погиб английский и французский флот. И вот французский астроном Леверье проанализировал всего-навсего газетные сводки и обнаружил, что похожая буря была не только в Балаклавской бухте, а она наблюдалась и в других районах Черного моря. Проанализировав даты этих газетных сводок, он обнаружил, что это были не разные бури, а, скорее всего, это была одна буря, которая перемещалась. И тогда он предположил, что, если бы они заранее знали о направлении перемещения этой бури, можно было предупредить флот, тогда бы не было таких потерь. И это сообщение он донес до французского правительства, а поскольку потери были огромны, то в этом случае французское правительство выделило деньги на организацию метеорологической службы.

Во время войны, пока не было заключено перемирие, это было только в пределах Франции, а дальше, когда уже было подписано перемирие и был налажен международный обмен, метеорологическая сеть стала развиваться. Появлялось все больше и больше станций, с помощью телеграфа данные с этих станций быстро передавались в какие-то центры, там их наносили на карту. Конечно, на тот момент никаких еще ни гидродинамических моделей, ни расчетных методов не было, но, даже анализируя текущее состояние погоды, синоптики (тогда их так уже называли), обозревая эту карту, могли давать какие-то, может быть, еще не очень хорошие, но прогнозы погоды.

Я не случайно использовала слово «обозревая», чтобы сказать о происхождении термина «синоптическая метеорология». Это от греческого слова συνοψις — ‘одновременно обозревающий’. Именно с идеи, что надо смотреть на температуру, давление и ветер не в одной точке, а на большом пространстве, и зародился синоптический метод, то есть анализ погоды, анализ метеорологических условий с помощью географической карты. А карту такую назвали синоптической.

Следующий очень важный этап, как я сказала, — это появление Норвежской школы, фронтального анализа, который успешно до настоящего времени применяется на всем земном шаре, и, анализируя и текущую погоду, и будущую погоду, синоптики обязательно уделяют внимание распределению трех главных синоптических объектов. Это воздушные массы: теплые, холодные, арктические, тропические, а также их распределение. Это атмосферные фронты — зоны раздела между разными воздушными массами. Не случайно их, кстати, назвали фронтами, потому что на фронтах всегда происходит какое-то противостояние. Когда сталкиваются теплый и холодный воздух, тоже происходит противостояние в атмосфере, и самые опасные явления: катастрофические осадки, град и шквалы — связаны именно с атмосферными фронтами. Но даже если они не такие страшные, то чаще всего осадки выпадают именно на атмосферных фронтах. Поэтому, естественно, им уделяется такое большое внимание, и синоптики обращают в первую очередь внимание на воздушные массы и атмосферные фронты.

Конечно, интересует не только то, где эти объекты находятся в настоящий момент, но и куда они будут перемещаться. Интересует атмосферная циркуляция, а в наших умеренных широтах, где мы с вами живем, атмосферная циркуляция в первую очередь представлена такими крупнейшими барическими системами, как циклоны и антициклоны. Именно они определяют распределение давления и направление ветра, а ветер и давление между собой однозначно связаны. И соответственно, зная расположение циклонов и антициклонов, мы можем судить о направлении ветра. А если мы будем знать направление ветра, мы будем знать, куда будут перемещаться атмосферные массы и атмосферные фронты. Следовательно, сможем давать прогноз погоды.

Наверное, третий краеугольный момент в истории синоптической метеорологии — это, конечно, когда от анализа карт перешли к гидродинамическим прогнозам. На настоящий момент прогноз погоды в синоптической метеорологии осуществляется на основании расчетов по физико-математическим моделям. Раньше считали на логарифмической линейке, строили карту распределения давления, ветра, температуры на следующий день с помощью минимальных расчетов. Сейчас, конечно, никакой синоптик ничего не считает, текущие данные в качестве начальных условий закладываются в гидродинамическую модель, сложнейшие, мощнейшие суперкомпьютеры обрабатывают эту информацию, ведут расчет на нужный промежуток времени, например на день, на два, на три и так далее, и на выходе мы получаем карты температуры, давления, ветра, всех характеристик на интересующее нас время: на завтра, послезавтра и так далее.

Можно было бы тогда сказать: зачем тогда вообще нужны синоптики на настоящий момент, если все уже считает суперкомпьютер? Но осталась одна операция, а именно проведение атмосферного фронта, которую не может на настоящий момент сделать компьютер: слишком велик тот объем информации (и она слишком разнородная), которую нужно проанализировать, для того чтобы грамотно, правильно провести атмосферный фронт. Это остается на настоящий момент уделом синоптиков. Они продолжают этим заниматься. Не совсем вручную, не карандашом по бумаге, конечно, — это все делается на компьютере, но тем не менее рука синоптика проводит атмосферный фронт, а не компьютер. Атмосферный фронт — это порождение знаний синоптика, мозга синоптика, а не результат расчетов на компьютере.

В целом, конечно, сейчас очень большой вклад (и я не случайно сказала «краеугольный камень») — это появление гидродинамических расчетов, которые очень облегчили задачу прогноза погоды на настоящий момент. И конечно, еще очень облегчило задачу синоптиков появление спутников, которые дают информацию об обширных пространствах и Мирового океана, и труднодоступных районов на земном шаре, где практически нет метеорологических станций и метеонаблюдений. Когда их не было, были большие проблемы прогноза, ошибки были намного больше. С появлением спутников белые пятна с точки зрения метеонаблюдений во многом закрылись, и информация стала намного более полная, а именно эта информация является начальными условиями для модели. Чем большей информацией модель располагает, тем более точный прогноз она будет давать. Поэтому синоптическая метеорология развивается, развиваются и направления физики и математики, но место творчеству, знаниям и умениям синоптиков всегда было, есть и останется.

Источник: ПостНаука 

Служение стихиям не терпит суеты

Екатерина Архипова
«Популярная механика» №12, 2007

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 τἀ μετἐωρα (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.

что для этого нужно и почему так сложно сделать правильный прогноз

Прогнозирование погоды — важная наука. Точное прогнозирование может помочь спасти жизни и свести к минимуму материальный ущерб. Это также имеет решающее значение для сельского хозяйства, позволяя фермерам отслеживать, когда лучше всего сажать, или помогая им защитить свой урожай.

И в ближайшие годы он станет еще более актуальным. Суровые погодные явления становятся все более частыми и интенсивными из-за изменения и изменчивости климата.

Я метеоролог, специализирующийся на прогнозировании погоды и изменения климата, который хочет улучшить качество метеорологических продуктов и их применения для стимулирования социально-экономического развития в Африке. Это важно: Всемирный банк указал, что более точные прогнозы погоды могут способствовать развитию континента.

Итак, как работает прогнозирование? Что нужно для получения точных, надежных и своевременных прогнозов? И как африканские страны могут добиться большего успеха на этом фронте?

Сложный процесс

Прогнозирование погоды — сложная и трудная задача. Этот процесс включает в себя три этапа: наблюдение, анализ и общение.

Для наблюдений синоптики работают с атмосферными моделями. Это наборы уравнений, описывающих состояние атмосферы. Модели используют информацию о начальном состоянии (наблюдениях) атмосферы, суши и океана для прогнозирования погоды. Данные моделей объединяются с информацией, полученной от метеостанций, установленных в ключевых точках региона или страны, чтобы получить фактическое состояние атмосферы. Такое усвоение данных дает более точный прогноз, поскольку оптимизирует понимание синоптиками развивающейся системы погоды.

Легче быть точным при составлении краткосрочного прогноза (от часов до дней), чем при интерпретации долгосрочных (месяцев или сезонов) данных. Атмосферная система динамична; чем больше времени проходит, тем менее уверенными в его состоянии могут быть прогнозисты.

Технический прогресс значительно повысил общее качество прогнозов погоды. Например, благодаря автоматизированным метеостанциям возможно больше наблюдений. Также увеличилось использование высокопроизводительных вычислений. Это позволяет хранить больше данных, ускорять обработку, анализ и визуализацию входящих данных.

Эти наборы данных являются ключевыми в диагностике прошлой и текущей погоды для создания прогноза. К сожалению, сеть наблюдения за данными (как с ручными, так и с автоматическими станциями) все еще несовершенна, особенно в развивающихся странах. Это результат ограниченных инвестиций в сектор. Синоптики в этих странах вынуждены использовать альтернативные наборы данных, которые не очень точны.

Одним из таких альтернативных наборов данных является Численное прогнозирование погоды. В нем используются глобальные детерминированные модели, которые обычно недостаточно детализированы для реалистичного представления конвекции на местном или региональном уровне; Синоптики, использующие эти данные, часто не могут точно предсказать количество осадков, особенно сильных дождей. Отсутствие доступа к более качественным историческим данным также означает, что синоптики изо всех сил пытаются определить, когда сезонные осадки в районе начнутся и закончатся, потому что они не могут изучить тенденции за годы или десятилетия.

Именно эти различия в доступе к данным и технологиям означают, что одни прогнозы точнее других.

После сопоставления прогнозы публикуются в различных формах. Способы упаковки метеорологических продуктов — приложений, телевизионных и радиовыпусков или обновлений веб-сайтов — будут различаться в зависимости от потребностей конечных пользователей. Некоторых людей, например фермеров, могут особенно интересовать сезонные прогнозы, и они будут искать их. Спортсмены, например, чаще используют порталы или сервисы, ориентированные на ежечасные и ежедневные прогнозы.

Я бы порекомендовал, кем бы вы ни были, учитывать сезонные прогнозы как общую информацию для широкого планирования. Но это следует интерпретировать вместе с ежемесячными, еженедельными и ежедневными прогнозами для точности.

Знания коренных народов

Некоторые африканские страны также используют для своих прогнозов другой вид данных: экологические знания коренных народов. Это влечет за собой использование давних знаний сообществ об их среде, и особенно о долгосрочных тенденциях и сдвигах. Такие знания могут быть объединены с научными процессами во время прогнозирования.

Читать далее:
Как спутники помогают Африке улучшать прогнозы погоды

Хорошим примером являются «вызыватели дождя» из общины Нганьи в западной Кении. Эти жители обладают глубокими историческими знаниями о климате и погодных условиях этого района. Они используют растения и животных, чтобы понять, что делает погода. Теперь они работают с метеорологами из метеорологического департамента Кении, чтобы составлять сезонные прогнозы погоды.

Трейлер документального фильма о «заклинателях дождя» Нганьи.

Знания коренных народов находятся под угрозой, так как старейшины, которые являются их хранителями, гибнут. Жизненно важные растения и животные, используемые в их процессах, также вымирают. Было бы очень жаль, если бы этот ресурс был потерян для синоптиков. Эти знания играют важную роль в обеспечении средств к существованию на местном уровне и поддерживают усилия по прогнозированию и осмыслению сезонного состояния климата в местном масштабе.

Грядут изменения

Некоторые способы прогнозирования погоды сегодня могут измениться в ближайшие годы. Всемирная метеорологическая организация призывает национальные метеорологические службы перейти от того, что будет с погодой (прогнозирование погоды), к тому, что погода будет делать – к прогнозированию и предупреждению на основе воздействий.

Также необходимо обеспечить, чтобы прогнозы доходили до людей, которые в них нуждаются. Ряд африканских стран, в том числе Малави и Чад, внедрили так называемое совместное сценарное планирование. Этот совместный подход разрабатывает и предоставляет климатическое информационное обслуживание, ориентированное на пользователя, путем перевода процесса совместного производства на субнациональный уровень. Он объединяет производителей и пользователей информации о погоде и климате – метеорологов, экспертов по знаниям коренных народов, исследователей, представителей различных секторов местного самоуправления, фермеров, а также НПО и журналистов.

Появляются и частные фирмы, предоставляющие глобальные прогнозы погоды. Это похвально, учитывая, что они дополняют услуги стран с ограниченными ресурсами. Но мой совет заключается в том, что там, где национальные метеорологические и гидрологические центры имеют возможность выпускать прогнозы погоды, их прогнозы следует рассматривать в первую очередь, а не прогнозы, подготовленные частными фирмами. Это связано с тем, что прогнозы национальных органов основаны на наблюдаемых исторических и наблюдаемых данных, хранителями которых они являются, а не на частных учреждениях, которые полагаются в основном на модельные данные.

Как составляются прогнозы погоды

Ожидайте дождя. Эти два простых слова могут разрушить планы на пикник или возвестить о спасении пострадавших от засухи урожаев. Немногие вещи в нашей жизни столь же универсальны, как погода.

«Это то, что постоянно происходит в атмосфере вокруг нас», — говорит Расс Шумахер, климатолог штата Колорадо и директор Климатического центра Колорадо. «Штормы и все другие интересные вещи, которые приносит нам атмосфера Земли, во многих отношениях оказывают большое влияние на нашу повседневную жизнь». Но даже если мы подключаемся к местным новостным станциям или проверяем приложения, чтобы узнать, что принесет погода, мы не всегда доверяем прогнозам. Вы, наверное, слышали анекдот: метеорология — единственная профессия, где можно постоянно ошибаться и при этом получать за это деньги.

На самом деле прогнозы погоды улучшились как на дрожжах всего за последние несколько десятилетий. А метеорологи в погоне за все более совершенным прогнозом продолжают приближать возможное к его теоретическому пределу.

Создание погоды

Прежде чем мы сможем предсказать погоду, мы должны понять, откуда она берется. Для этого мы должны смотреть в небо.

Земля окружена атмосферой, состоящей в основном из азота, кислорода и водяного пара. Этот воздух, как и жидкая вода, ведет себя как жидкость. Перетекая из одного места в другое, воздух несет с собой свои свойства, изменяя температуру, влажность и многое другое. Погода — это просто побочный продукт нашей атмосферы, переносящей тепло из одного места в другое.

Более холодный воздух плотный и не может удерживать много влаги; более теплый воздух менее плотный и может содержать больше воды. Когда встречаются области воздуха с разной температурой и плотностью, граница называется фронтом. Иногда эти облачные столкновения могут вызвать дождь, так как остывающий теплый воздух вынужден сбрасывать свою воду.

Не только фасады могут вызвать дождь; конвекция также может вызывать осадки. Когда теплый влажный воздух поднимается вверх, он также охлаждается, и его вода конденсируется на переносимых по воздуху частицах, таких как пыль. Эти капли уносятся вверх восходящим воздухом, становятся все больше и больше, пока не становятся слишком тяжелыми и не падают обратно на Землю.

Когда это произойдет, хватай зонтик. Как только буря образовалась, если ей некуда брать больше влаги из земли или воздуха, она утихнет, пока неуклюже продвигается вперед. Если он найдет больше теплого воздуха и влаги — как это происходит с ураганом, когда он движется через океан, — он будет расти и расти.

Основы прогнозирования

С таким количеством факторов может показаться невозможным предсказать, какая погода появится на горизонте. Но это далеко не так. «Прогнозирование погоды — одна из немногих областей, в которых мы можем точно прогнозировать эволюцию системы. Мы не можем сделать это в экономике или спорте», — говорит Фалько Джадт, метеоролог-исследователь из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо.

Это зависит от надежных наблюдений. Научные наблюдения за погодой начались в эпоху Возрождения, когда были изобретены барометры и термометры. Европейские ученые древности, такие как Галилей, использовали эти инструменты для проведения измерений, которые однажды объяснят погодные явления. К концу 1800-х годов в обиход вошли рудиментарные карты погоды.

Но ранние прогнозы были ограничены и основывались на постоянстве или предположении, что прошлое системы будет определять ее поведение в будущем. «Если штормовая система сегодня в Канзасе, а на следующий в Миссури, то благодаря настойчивости вы можете сказать, что на следующий день она будет в Иллинойсе», — объясняет Боб Хенсон, метеоролог, пишущий для Weather Underground. Постоянство — это хороший способ предсказать погоду, когда условия неизменны — когда буря бушует, не прекращаясь, или местный климат мало меняется изо дня в день, скажем, в Южной Калифорнии.

Но этот простой метод не учитывает изменяющиеся условия, такие как бури, быстро формирующиеся в результате конвекции (типично для гроз), или движущиеся фронты, изменяющие температуру. К счастью, у нас есть более новые и лучшие способы предсказывать будущее. Сегодняшние прогнозы погоды составляются не людьми, которые смотрят на карты погоды и вчерашние взлеты и падения — их делают машины.

Современное прогнозирование погоды

Метеорологи используют процесс, называемый числовым прогнозированием погоды, для создания прогнозов путем ввода текущих условий — которые они называют «текущая погода» — в компьютерные модели. Чем больше актуальной и точной информации будет доступно этим моделям, тем лучше будет прогноз. Наземный радар, метеозонды, самолеты, спутники, океанские буи и многое другое могут обеспечить трехмерные наблюдения, которые можно использовать в модели. Это позволяет метеорологам моделировать то, что сейчас происходит в атмосфере, и предсказывать, что произойдет в ближайшие несколько дней или, для некоторых моделей, часов.

Погодные модели делят регион, скажем, отдельный штат или даже весь земной шар, на набор прямоугольников или ячеек. Размер этих ячеек — разрешение модели — влияет на точность ее прогнозирования. Большие прямоугольники означают плохое разрешение или невозможность сказать, что происходит на небольших участках, но дают широкую картину крупномасштабных тенденций погоды в течение длительного периода времени. Этот общий прогноз полезен, когда вы хотите знать, как сильный шторм будет перемещаться по США в течение недели.

Меньшие квадраты означают более высокое разрешение, что позволяет прогнозировать меньшие штормы. Эти модели более дорогие с точки зрения вычислительной мощности и рассчитаны только на одно- или двухдневную отметку, чтобы сообщить людям, может ли быть шторм в их районе. Хотя все модели основаны на одной и той же физике, каждая из них по-разному переводит эту физику в компьютерный код, говорит Джадт. Некоторые модели могут отдавать предпочтение определенным типам данных, таким как скорость ветра, температура и влажность, по сравнению с другими, чтобы генерировать прогнозы или моделировать физические процессы немного иначе, чем другая модель. Вот почему две модели могут выдать немного разные результаты даже при одинаковых исходных наблюдениях.

(Фото: Джей Смит)

Человеческое прикосновение

Теперь, когда всем заправляют компьютеры, что остается делать синоптикам?

С точки зрения повседневной погоды, например температуры, возможно, не очень. «Для большинства рутинных погодных явлений модели прогнозов сейчас настолько хороши, что синоптики не так уж много могут добавить», — говорит Шумахер, который также является доцентом кафедры атмосферных наук в штате Колорадо. Университет.

Но не думайте, что люди сейчас ненужны. «Синоптик может подправить то, что говорит вам компьютер, если он действительно хорошо знает свою местность и знает, что модели борются с определенной погодной ситуацией», — говорит Хенсон.

Одной из таких ситуаций являются осадки, прогнозировать которые сложнее, чем температуру, говорит Мэтт Келш, гидрометеоролог из Университетской корпорации атмосферных исследований в Боулдере. «Температура — это непрерывное поле, то есть везде есть температура», — объясняет он. «Но осадки — это прерывистое поле, а это означает, что во многих местах их нет, а в некоторых местах может идти очень сильный дождь или снег». А местная география — горные хребты, береговые линии или Великие озера — может влиять на осадки таким образом, что модели могут не справиться. По словам Келша, особенно для прогнозов на срок от 24 до 36 часов, в игру вступает опыт метеоролога в области прогнозирования.

Прогнозирование опасных ситуаций, таких как ураганы, торнадо и наводнения, является более сложной задачей и сопряжено с гораздо более высокими ставками. «Особенно когда дело доходит до экстремальных погодных условий, человеческое суждение действительно важно», — говорит Хенсон.

Каковы шансы?

Чем дальше в будущем запланирован ваш пикник, тем сложнее предсказать дождь или солнце. Но с 1950-х годов все более быстрые компьютеры дают все более точные прогнозы погоды. «Многие из самых больших и мощных суперкомпьютеров в мире предназначены для исследования атмосферы — для прогнозирования [погоды] и изучения изменения климата», — говорит Хенсон.

По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, сегодняшний пятидневный прогноз точен примерно в 90% случаев. Семидневный прогноз верен в 80% случаев, а 10-дневный прогноз отражает реальную погоду примерно в 50% случаев.

Как насчет крупных событий? Основываясь на прогнозах Национального центра ураганов с 2010 года, глаз урагана обрушивался на сушу в среднем всего в 47 милях от того места, где прогнозировалось 24 часа назад. Это лишь около одной шестой от общего размера среднего урагана. «За 24 часа до того, как ураган обрушится на землю, мы уже в значительной степени определили, куда он пойдет», — говорит Джадт. Выходя на пятидневку, ошибка в прогнозах с 2010 года составляет около 220 миль.

Эти статистические данные становятся еще более впечатляющими, если учесть, насколько метеорологи увеличили количество дней, до которых можно сделать точный прогноз. Например, сегодняшний пятидневный прогноз ураганов более надежен, чем четырехдневный прогноз начала 2000-х годов, и более надежный, чем трехдневный прогноз 1990-х годов. А статья Nature 2015 года показала, что прогнозы на срок от трех до десяти дней улучшаются примерно на день за десятилетие, а это означает, что современный шестидневный прогноз так же точен, как и пятидневный прогноз 10 лет назад.

Правила Хаоса

По мере улучшения прогнозов естественно возникает один вопрос: насколько лучше они могут стать?

К сожалению, хаотическая природа нашей атмосферы серьезно ограничивает наши возможности по ее моделированию и, следовательно, по предсказанию того, что она будет делать дальше. Вы, наверное, слышали, что взмах крыльев бабочки в Гонконге может изменить погоду в Нью-Йорке. Идея этого «эффекта бабочки», при котором незначительные изменения могут иметь огромное влияние на развитие динамической системы, была выдвинута в 1919 г.72 математика и метеоролога Эдварда Лоренца.

На практике это означает, что одна и та же модель погоды, запускаемая более одного раза, даже при самых незначительных различиях в начальных условиях может давать очень разные прогнозы. Поскольку никакое измерение не является совершенным — каждое наблюдение имеет связанную с ним неопределенность — эти небольшие несовершенства могут вызвать большие изменения в том, что предсказывает модель. Эти изменения становятся все больше и больше, чем дальше вы пытаетесь предсказать.

Из-за этого потенциальный предел предсказуемости погоды составляет около двух недель, говорит Хенсон. «[Лоренц] по сути сказал, что невозможно предсказать характеристики погоды за пределами этого времени, потому что эти маленькие взмахи крыльев бабочки и бесчисленное множество других мелочей в сумме приведут к такому большому количеству больших изменений, а вне этого диапазона существует так много неопределенности, что это просто невозможно ничего сказать», — говорит он.

Джадт, чья работа сосредоточена на теоретическом пределе точности прогнозирования погоды, говорит, что мы никогда не сможем предсказать грозу более чем за пару часов, независимо от того, насколько хорошими будут наблюдения. Для ураганов и зимних штормов, которые намного сильнее и поэтому их легче обнаружить заранее, теоретический предел составляет две-три недели — «так что еще можно выиграть пару дней, если не целую неделю», — говорит он.

«Мы могли бы делать точные прогнозы, если бы у нас было идеальное знание атмосферы и если бы у нас были идеальные модели погоды», — говорит Джадт. Но мы никогда не сможем постоянно измерять все в каждой точке атмосферы с предельной точностью, и наши модели никогда не будут безупречными. «Поэтому мы никогда не сможем добиться идеальных прогнозов».

Создание лучшего прогноза

Есть больше способов улучшить прогнозы, чем проводить более точные наблюдения и улучшать наши модели погоды. Понимание того, как люди используют прогнозы и предупреждения, позволяет метеорологам предоставлять информацию наиболее полезным способом.

Одной из самых больших проблем для метеорологов является сжатие прогноза, который представляет собой диапазон возможных погодных условий, которые можно ожидать, в один значок или несколько предложений, которые появляются в вашем приложении погоды.

(Источник: Roen Kelly/Discover)

Возьмем, к примеру, сегодняшнюю вероятность дождя в вашем районе. Это может означать немного разные вещи, исходящие от разных метеорологов, но в целом это не просто вероятность того, что вы лично станете свидетелем дождя в этот день. Большинство синоптиков рассчитывают это число, умножая свою уверенность в том, что пойдет дождь, на площадь, в которой может пойти дождь. Таким образом, 40-процентная вероятность дождя может быть 100-процентной вероятностью в 40 процентах вашего округа или 60-процентной вероятностью в 70 процентах вашего округа.

Кроме того, это число не говорит вам, сколько будет дождя, как сильно, когда и как долго будет идти дождь. Поэтому в следующий раз, когда вы увидите в своем прогнозе низкую вероятность дождя, проверьте полный отчет о погоде, прежде чем оставить зонт дома.

«Наука в определенной степени обогнала наши коммуникативные навыки и знания. Итак, основная проблема сейчас заключается в том, как дать людям то, что им нужно?» говорит Хенсон. Это потому, что больше информации не всегда лучший способ общения. «Если люди этого не понимают, то это не поможет», — говорит он.

NOAA сотрудничает с социологами для разработки более актуальных и целенаправленных прогнозов. Это особенно важно из-за того, как Интернет изменил способы получения и обмена информацией, говорит Келш.

(Источник: Roen Kelly/Discover)

Например, при составлении официального прогноза метеорологи учитывают неопределенности, несколько раз запуская модель. Каждый раз модель будет давать несколько иной результат, но большинство результатов будут очень похожими. Этот ансамбль прогнозов и становится официальным прогнозом.

Но в ансамбле встречаются и посторонние маловероятные результаты. Поскольку эти данные доступны для общественности, всегда существует риск, что данные будут опубликованы вне контекста в социальных сетях. «Это не проблема, которая исчезает, — говорит Келш.

И хотя прогнозы значительно улучшились, метеорологов по-прежнему обвиняют, когда они ошибаются. «Нам всегда нужно помнить, что идеальных прогнозов никогда не бывает, но мы все равно их улучшаем», — говорит Джадт.

Потому что для всех нас «самый выдающийся прогноз погоды — это тот, который был неверным — когда вы чего-то ожидали и были удивлены, вы помните именно их. Вы не помните каждый раз, когда все было именно так, как мы ожидали, потому что это не новость», — говорит Хенсон.

Таким образом, для метеорологов конечная цель состоит в том, чтобы сделать почти каждый день прогноз, о котором нельзя забывать.

Где творится волшебство (прогноз)

Во многих странах одна государственная метеорологическая служба обычно является единственным доступным источником прогнозов, предупреждений и предупреждений. Эти метеорологи работают в общественных (государственных) организациях или университетах. Напротив, в Соединенных Штатах существуют сильные государственные, частные (коммерческие) и университетские программы наблюдения и прогнозирования погоды.

Синоптики Национальной метеорологической службы наготове во время сильного шторма. Здесь метеорологи наблюдают за ураганом Ирма в сентябре 2017 года в центре ураганов в Майами. (Источник: Энди Ньюман/Associated Press)

«Мы также являемся большой и густонаселенной страной, и погода здесь очень изменчива. Я думаю, что все это усилило наш интерес к погоде и нашу поддержку исследований и прогнозирования погоды», — говорит Боб Хенсон из Weather Underground. Другими словами, США — это своего рода погодная электростанция. Здесь большинство прогнозов составляются Национальными центрами экологического прогнозирования (NCEP).

Эти центры являются частью Национальной метеорологической службы (NWS), которая сама является частью Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA). NCEP запускает модели погоды, а затем распространяет результаты, а также прогнозы, в офисы NWS, которые могут настраивать прогнозы для своего региона.

Для долгосрочных прогнозов на больших территориях наиболее популярной американской моделью является Глобальная система прогнозов, или GFS. 12 июня NOAA объявило о своем первом крупном обновлении GFS почти за 40 лет. Обновление включает в себя новое динамическое ядро, которое описывает модель поведения атмосферы. Новая система под названием GFS-FV3 лучше моделирует влажность и облака, позволяя метеорологам прогнозировать штормы с большей точностью, чем когда-либо прежде.

Коммерческие поставщики метеорологических услуг обычно имеют собственные возможности моделирования погоды. Например, Weather Underground уточняет официальный прогноз до масштаба района, добавляя информацию из своей сети из более чем четверти миллиона персональных метеостанций. Это дает вам точную информацию о погоде для вашего точного местоположения, когда вы открываете приложение службы, а не то, что погода делает в городе.

Каждая компания занимает свою нишу, предоставляя разные прогнозы, касающиеся, скажем, условий серфинга, условий пожара или проблем с транспортом, на основе конкретных наблюдений и моделей, уточняющих обширные данные государственного сектора. Эти различия также являются причиной того, что вы можете предпочесть использовать одно приложение или службу другому.

Элисон Клесман — помощник редактора журнала Astronomy. Первоначально эта история появилась в печати под названием «Выдерживая бурю».

Наука и искусство метеорологии

Метеорология — это изучение атмосферы, атмосферных явлений и атмосферных воздействий на нашу погоду. Атмосфера — это газообразный слой физической среды, окружающей планету. Атмосфера Земли имеет толщину примерно от 100 до 125 километров (65-75 миль). Гравитация удерживает атмосферу от дальнейшего расширения.

Метеорология — это раздел наук об атмосфере, термин, который охватывает все исследования атмосферы. Поддисциплина — это специализированная область исследования в рамках более широкого предмета или дисциплины. Климатология и аэрономия также являются разделами наук об атмосфере. Климатология фокусируется на том, как атмосферные изменения определяют и изменяют климат в мире. Аэрономия — это наука о верхних слоях атмосферы, где происходят уникальные химические и физические процессы. Метеорология фокусируется на нижних слоях атмосферы, в первую очередь на тропосфере, где наблюдается большая часть погоды.

Метеорологи используют научные принципы, чтобы наблюдать, объяснять и прогнозировать нашу погоду. Они часто сосредоточены на исследованиях атмосферы или оперативном прогнозировании погоды. Метеорологи-исследователи охватывают несколько поддисциплин метеорологии, включая моделирование климата, дистанционное зондирование, качество воздуха, физику атмосферы и изменение климата. Они также исследуют взаимосвязь между атмосферой и климатом Земли, океанами и биологической жизнью.

Синоптики используют эти исследования вместе с атмосферными данными для научной оценки текущего состояния атмосферы и предсказания ее будущего состояния. Атмосферные условия как у поверхности Земли, так и над ней измеряются из различных источников: метеостанций, кораблей, буев, самолетов, радаров, метеозондов и спутников. Эти данные передаются в центры по всему миру, которые производят компьютерный анализ глобальной погоды. Анализы передаются в национальные и региональные метеорологические центры, которые вводят эти данные в компьютеры, моделирующие будущее состояние атмосферы. Эта передача информации демонстрирует, как погода и ее изучение происходят несколькими взаимосвязанными способами.

Масштабы метеорологии

Погода бывает в разных масштабах пространства и времени. Четыре метеорологических масштаба: микромасштаб, мезомасштаб, синоптический масштаб и глобальный масштаб. Метеорологи часто сосредотачиваются в своей работе на конкретном масштабе.

Микрометеорология
Микрометеорология фокусируется на явлениях размером от нескольких сантиметров до нескольких километров и с короткой продолжительностью жизни (менее суток). Эти явления влияют на очень небольшие географические районы, а также на температуру и ландшафт этих районов.

Микрометеорологи часто изучают процессы, происходящие между почвой, растительностью и поверхностными водами вблизи уровня земли. Они измеряют передачу тепла, газа и жидкости между этими поверхностями. Микрометеорология часто включает изучение химии.

Отслеживание загрязнителей воздуха является примером микромасштабной метеорологии. MIRAGE-Mexico — результат сотрудничества метеорологов США и Мексики. Программа изучает химические и физические превращения газов и аэрозолей в загрязнении, окружающем Мехико. MIRAGE-Mexico использует наблюдения с наземных станций, самолетов и спутников для отслеживания загрязняющих веществ.

Мезомасштабная метеорология
Мезомасштабные явления варьируются в размерах от нескольких километров до примерно 1000 километров (620 миль). Двумя важными явлениями являются мезомасштабные конвективные комплексы (МКК) и мезомасштабные конвективные системы (МКС). Оба вызваны конвекцией, важным метеорологическим принципом.

Конвекция – это процесс циркуляции. Более теплая и менее плотная жидкость поднимается вверх, а более холодная и плотная опускается. Жидкость, которую изучает большинство метеорологов, — это воздух. (Любое текучее вещество считается жидкостью.) Конвекция приводит к переносу энергии, тепла и влаги — основных строительных блоков погоды.

Как в MCC, так и в MCS большая площадь воздуха и влаги нагревается в середине дня, когда угол наклона солнца максимален. Когда эта теплая воздушная масса поднимается в более холодную атмосферу, она конденсируется в облака, превращая водяной пар в осадки.

MCC — это единая система облаков, которая может достигать размера штата Огайо и вызывать сильные дожди и наводнения. MCS — это небольшое скопление гроз, которое длится несколько часов. Оба реагируют на уникальный перенос энергии, тепла и влаги, вызванный конвекцией.

Полевая кампания «Глубокие конвективные облака и химия» (DC3) представляет собой программу изучения штормов и грозовых облаков в Колорадо, Алабаме и Оклахоме. В этом проекте будет рассмотрено влияние конвекции на формирование и движение гроз, в том числе на развитие молний. Он также изучит их влияние на самолеты и схемы полетов. Программа DC3 будет использовать данные, собранные с исследовательских самолетов, способных летать над бурями.

Метеорология синоптического масштаба
Явления синоптического масштаба охватывают территорию в несколько сотен и даже тысяч километров. Системы высокого и низкого давления, наблюдаемые в местных прогнозах погоды, имеют синоптический масштаб. Давление, как и конвекция, является важным метеорологическим принципом, лежащим в основе крупномасштабных погодных систем, столь же разнообразных, как ураганы и сильные холода.

Системы низкого давления возникают там, где атмосферное давление на поверхности Земли меньше, чем в окружающей среде. Ветер и влага из областей с более высоким давлением ищут системы с низким давлением. Это движение в сочетании с силой Кориолиса и трением заставляет систему вращаться против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии, создавая циклон. Циклоны имеют тенденцию к восходящему вертикальному движению. Это позволяет влажному воздуху из окружающей местности подниматься, расширяться и конденсироваться в водяной пар, образуя облака. Это движение влаги и воздуха вызывает большинство наших погодных явлений.

Ураганы являются результатом систем низкого давления (циклонов), развивающихся над тропическими водами в Западном полушарии. Система всасывает огромное количество теплой влаги из моря, вызывая конвекцию, которая, в свою очередь, вызывает увеличение скорости ветра и падение давления. Когда эти ветры достигают скорости более 119 километров в час (74 мили в час), циклон классифицируется как ураган.

Ураганы могут быть одним из самых разрушительных стихийных бедствий в Западном полушарии. Национальный центр по ураганам в Майами, штат Флорида, регулярно выпускает прогнозы и отчеты по всем тропическим погодным системам. В сезон ураганов специалисты по ураганам выпускают прогнозы и предупреждения для каждого тропического шторма в западной тропической Атлантике и восточной тропической части Тихого океана. Предприятия и правительственные чиновники из США, стран Карибского бассейна, Центральной Америки и Южной Америки полагаются на прогнозы Национального центра ураганов.

Системы высокого давления возникают там, где атмосферное давление на поверхности Земли превышает давление окружающей среды. Это давление имеет тенденцию к нисходящему вертикальному движению, что обеспечивает сухой воздух и ясное небо.

Чрезвычайно низкие температуры являются результатом систем высокого давления, которые развиваются над Арктикой и перемещаются над Северным полушарием. Арктический воздух очень холодный, потому что он развивается над льдом и заснеженной землей. Этот холодный воздух настолько плотный, что давит на поверхность Земли с огромным давлением, не позволяя влаге или теплу оставаться внутри системы.

Метеорологи выявили множество полупостоянных областей высокого давления. Азорский максимум, например, является относительно стабильной областью высокого давления вокруг Азорских островов, архипелага в середине Атлантического океана. Высокий уровень Азорских островов отвечает за засушливые температуры Средиземноморского бассейна, а также за летние волны тепла в Западной Европе.

Метеорология глобального масштаба
Явления глобального масштаба — это погодные условия, связанные с переносом тепла, ветра и влаги из тропиков к полюсам. Важной закономерностью является глобальная атмосферная циркуляция, крупномасштабное движение воздуха, помогающее распределять тепловую энергию (тепло) по поверхности Земли.

Глобальная атмосферная циркуляция — это довольно постоянное движение ветров по земному шару. Ветры развиваются по мере того, как воздушные массы перемещаются из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Глобальная атмосферная циркуляция в значительной степени определяется ячейками Хэдли. Ячейки Хэдли представляют собой тропические и экваториальные модели конвекции. Конвекция перемещает теплый воздух высоко в атмосферу, в то время как холодный, плотный воздух движется вниз по постоянному циклу. Каждая петля представляет собой ячейку Хэдли.

Клетки Хэдли определяют потоки пассатов, которые прогнозируют метеорологи. Предприятия, особенно те, которые экспортируют товары через океаны, уделяют пристальное внимание силе пассатов, потому что они помогают судам двигаться быстрее. Западные ветры — это ветры, которые дуют с запада в средних широтах. Ближе к экватору пассаты дуют с северо-востока (севернее экватора) и юго-востока (южнее экватора).

Метеорологи изучают долгосрочные климатические закономерности, которые нарушают глобальную атмосферную циркуляцию. Например, метеорологи открыли закономерность Эль-Ниньо. Эль-Ниньо включает в себя океанские течения и пассаты через Тихий океан. Эль-Ниньо происходит примерно каждые пять лет, нарушая глобальную атмосферную циркуляцию и влияя на местную погоду и экономику от Австралии до Перу.

Эль-Ниньо связан с изменениями атмосферного давления в Тихом океане, известными как Южное колебание. Атмосферное давление падает над восточной частью Тихого океана, у побережья Америки, в то время как атмосферное давление повышается над западной частью Тихого океана, у берегов Австралии и Индонезии. Пассаты ослабевают. Страны восточной части Тихого океана испытывают сильные дожди. Теплые океанские течения сокращают запасы рыбы, процветание которой зависит от богатого питательными веществами подъема холодной воды. Страны западной части Тихого океана страдают от засухи, наносящей ущерб сельскохозяйственному производству.

Понимание метеорологических процессов Эль-Ниньо помогает фермерам, рыбакам и жителям прибрежных районов подготовиться к изменению климата.

История метеорологии

Развитие метеорологии тесно связано с развитием науки, математики и технологий. Греческий философ Аристотель написал первое крупное исследование атмосферы около 340 г. до н.э. Однако многие идеи Аристотеля были неверны, поскольку он не считал необходимым проводить научные наблюдения.

Растущая вера в научный метод глубоко изменила изучение метеорологии в 17 и 18 веках. Евангелиста Торричелли, итальянский физик, заметил, что изменения атмосферного давления связаны с изменениями погоды. В 1643 году Торричелли изобрел барометр для точного измерения давления воздуха. Барометр по-прежнему является ключевым инструментом для понимания и прогнозирования погодных систем. В 1714 году немецкий физик Даниэль Фаренгейт изобрел ртутный термометр. Эти инструменты позволили точно измерить две важные атмосферные переменные.

Не было возможности быстро передавать данные о погоде до изобретения телеграфа американским изобретателем Сэмюэлем Морсом в середине 1800-х годов. Используя эту новую технологию, метеорологические службы смогли обмениваться информацией и создавать первые современные карты погоды. Эти карты объединяли и отображали более сложные наборы информации, такие как изобары (линии равного атмосферного давления) и изотермы (линии равной температуры). С помощью этих крупномасштабных карт погоды метеорологи могли изучать более широкую географическую картину погоды и делать более точные прогнозы.

В 1920-х годах группа норвежских метеорологов разработала концепции воздушных масс и фронтов, которые являются строительными блоками современного прогнозирования погоды. Используя основные законы физики, эти метеорологи обнаружили, что огромные массы холодного и теплого воздуха движутся и встречаются по закономерностям, которые лежат в основе многих погодных систем.

Военные действия во время Первой и Второй мировых войн принесли метеорологии большие успехи. Успех этих операций во многом зависел от погоды в обширных районах земного шара. Военные вложили значительные средства в обучение, исследования и новые технологии, чтобы улучшить свое понимание погоды. Самой важной из этих новых технологий был радар, который был разработан для обнаружения присутствия, направления и скорости самолетов и кораблей. После окончания Второй мировой войны радар использовался и совершенствовался для обнаружения наличия, направления и скорости осадков и характера ветра.

Технологические разработки 1950-х и 1960-х годов упростили и ускорили для метеорологов наблюдение и прогнозирование погодных систем в массовом масштабе. В 1950-х годах компьютеры создали первые модели атмосферных условий, обрабатывая сотни точек данных с помощью сложных уравнений. Эти модели могли предсказывать крупномасштабную погоду, например ряд систем высокого и низкого давления, окружающих нашу планету.

TIROS I, первый метеорологический спутник, предоставил первый точный прогноз погоды из космоса в 1962. Успех TIROS I подтолкнул к созданию более совершенных спутников. Их способность собирать и передавать данные с исключительной точностью и скоростью сделала их незаменимыми для метеорологов. Усовершенствованные спутники и компьютеры, обрабатывающие их данные, являются основными инструментами, используемыми сегодня в метеорологии.

Метеорология сегодня

У современных метеорологов есть множество инструментов, которые помогают им исследовать, описывать, моделировать и прогнозировать погодные системы. Эти технологии применяются в различных метеорологических масштабах, повышая точность и эффективность прогнозов.

Радар — важная технология дистанционного зондирования, используемая в прогнозировании. Радарная тарелка является активным датчиком, поскольку она посылает радиоволны, которые отражаются от частиц в атмосфере и возвращаются к тарелке. Компьютер обрабатывает эти импульсы и определяет горизонтальный размер облаков и осадков, а также скорость и направление движения этих облаков.

Новая технология, известная как радар с двойной поляризацией, передает как горизонтальные, так и вертикальные импульсы радиоволн. Благодаря этому дополнительному импульсу радар с двойной поляризацией способен лучше оценивать осадки. Он также лучше различает типы осадков — дождь, снег, мокрый снег или град. Радар с двойной поляризацией значительно улучшит прогнозы паводков и зимней погоды.

Исследования торнадо — еще один важный компонент метеорологии. Начиная с 2009 года Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Национальный научный фонд провели крупнейший в истории исследовательский проект торнадо, известный как VORTEX2. Команда VORTEX2, состоящая из около 200 человек и более 80 метеорологических инструментов, преодолела более 16 000 километров (10 000 миль) по Великим равнинам США, чтобы собрать данные о том, как, когда и почему образуются торнадо. Команда вошла в историю, собрав чрезвычайно подробные данные до, во время и после конкретного торнадо. Этот торнадо является наиболее тщательно изученным в истории и даст ключевое представление о динамике торнадо.

Спутники чрезвычайно важны для нашего понимания погодных явлений глобального масштаба. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и NOAA эксплуатируют три геостационарных оперативных спутника наблюдения за окружающей средой (GOES), которые обеспечивают наблюдения за погодой более чем на 50 процентах поверхности Земли.

GOES-15, запущенный в 2010 году, включает в себя солнечный рентгеновский тепловизор, который отслеживает рентгеновские лучи Солнца для раннего обнаружения солнечных явлений, таких как солнечные вспышки. Солнечные вспышки могут повлиять на военную и коммерческую спутниковую связь по всему миру. Высокоточный формирователь изображений создает видимые и инфракрасные изображения поверхности Земли, океанов, облачного покрова и развития сильных штормов. Инфракрасные изображения обнаруживают движение и перенос тепла, улучшая наше понимание глобального энергетического баланса и таких процессов, как глобальное потепление, конвекция и суровая погода.

Краткий факт

Христофор Колумб, метеоролог
В 1495 году исследователь Христофор Колумб записал, возможно, первое сообщение об урагане. Во время стоянки у Ла-Исабелы, Эспаньола (ныне Доминиканская Республика), Колумб потерял три корабля во время сильного шторма. Современные метеорологи спорят, был ли шторм настоящим ураганом или торнадо и водяным смерчем. Колумб свидетельствует, что «ничто, кроме служения Богу и распространения монархии», не убедило бы его пережить еще одну подобную бурю.0003

Краткий факт

Влажные кудри
Гораций Бенедикт де Соссюр был альпинистом-любителем, физиком и метеорологом. В 1783 году он сконструировал первый гигрометр, прибор для измерения влажности. Среду, которую он использовал для измерения количества влаги в воздухе? Человеческая прическа. Волосы, протестированные Sassure, были ослаблены или удлинены во влажную погоду. В сухую погоду он напрягался или скручивался.

Fast Fact

Знак одобрения
С 19 лет82, Национальная метеорологическая ассоциация способствовала повышению качества вещания погоды, выдав квалифицированным вещателям Знак одобрения Weathercaster. Экзамен на печать сложен, и только 918 человек в США прошли сертификацию. Узнайте, попал ли ваш местный синоптик в этот список!

Краткий факт

Штормовая синхронность
«В отличие от истории, метеорология повторяется».
Д-р Мел Гольдштейн, метеоролог

Статьи и профили

Все о карьере в области метеорологии Университет штата Аризона и Всемирная метеорологическая организация: Архив экстремальных климатических явлений

Справочный номер

Всемирная метеорологическая организация: Всемирная служба информации о погоде NOAA: Национальная лаборатория сильных штормов Национальная служба погодыАмериканское метеорологическое общество: Глоссарий метеорологии

прогноз погоды | Методы, важность и история

Доплеровский радар

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Джеймс Мартин Стэгг
Вильгельм Бьеркнес
Александр Бьюкен
Джейкоб Бьеркнес
Тор Гарольд Персиваль Бержерон

Связанные темы:

бюро погоды
среднесрочное прогнозирование погоды
долгосрочное прогнозирование погоды
краткосрочное прогнозирование погоды
Доплеровский метеорологический радар

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

прогноз погоды , предсказание погоды на основе применения принципов физики, дополненных различными статистическими и эмпирическими методами. Помимо предсказания самих атмосферных явлений, прогноз погоды включает предсказание изменений земной поверхности, вызванных атмосферными условиями, например снежного и ледяного покрова, штормовых приливов и наводнений.

Наблюдения нескольких других научных предприятий столь же важны или затрагивают такое же количество людей, как и наблюдения, связанные с прогнозированием погоды. Со времен, когда первобытные люди отважились покинуть пещеры и другие естественные убежища, проницательные люди, по всей вероятности, стали лидерами, будучи способными обнаруживать природные признаки приближающегося снега, дождя или ветра, а также любое изменение погоды. Имея такую ​​информацию, они, должно быть, добились большего успеха в поисках еды и безопасности, главных целей того времени.

В некотором смысле прогнозирование погоды по-прежнему осуществляется в основном так же, как и у первых людей, а именно путем наблюдения и предсказания изменений. Современные инструменты, используемые для измерения температуры, давления, ветра и влажности в 21 веке, несомненно, удивят их, и результаты, очевидно, будут лучше. Но даже самый сложный численно-расчетный прогноз, сделанный на суперкомпьютере, требует набора измерений состояния атмосферы — исходной картины температуры, ветра и других основных элементов, в чем-то сравнимой с той, что формировалась у наших предков, когда они выглядывали из своих пещерных жилищ. Первобытный подход подразумевал озарения, основанные на накопленном опыте проницательного наблюдателя, в то время как современная техника состоит в решении уравнений. Несмотря на то, что они кажутся совершенно разными, между обеими практиками есть основное сходство. В каждом случае синоптик спрашивает: «Что такое?» в смысле «Какая погода преобладает сегодня?» а затем пытается определить, как оно изменится, чтобы экстраполировать, каким оно будет.

Поскольку наблюдения так важны для предсказания погоды, отчет о метеорологических измерениях и прогнозировании погоды представляет собой историю, в которой идеи и технологии тесно переплетены, а творческие мыслители черпают новые идеи из имеющихся наблюдений и указывают на необходимость новых или более качественных измерений, и технология, обеспечивающая средства для проведения новых наблюдений и обработки данных, полученных в результате измерений. Основа для предсказания погоды началась с теорий древнегреческих философов и продолжилась учеными эпохи Возрождения, научной революцией 17 и 18 веков и теоретическими моделями атмосферных ученых и метеорологов 20 и 21 веков. Точно так же в нем рассказывается о развитии «синоптической» идеи — о характеристике погоды в большой области в одно и то же время для систематизации информации о преобладающих условиях. В синоптической метеорологии одновременные наблюдения в определенное время наносятся на карту обширной области, в результате чего получается общее представление о погоде в этом регионе. (Термин «синоптический» происходит от греческого слова, означающего «общий или всеобъемлющий обзор».) Так называемая синоптическая карта погоды стала основным инструментом 19метеорологи го века и продолжают использоваться сегодня на метеостанциях и в телевизионных сводках погоды по всему миру.

Викторина «Британника»

Викторина «Зимняя погода»

Зима — время экстремальной погоды и необычных слов для описания этой погоды. Эти вопросы викторины, любезно предоставленные Merriam-Webster, заставят вас тосковать по лету.

С середины 20-го века цифровые компьютеры позволили математически и объективно рассчитывать изменения атмосферных условий, т. е. таким образом, что каждый может получить один и тот же результат при одних и тех же начальных условиях. Широкое распространение численных моделей прогнозирования погоды привело к появлению на сцене целой новой группы игроков — компьютерных специалистов и экспертов в области числовой обработки и статистики — для работы с учеными-атмосферниками и метеорологами. Кроме того, расширенные возможности обработки и анализа данных о погоде стимулировали давний интерес метеорологов к обеспечению большего количества наблюдений с большей точностью. Технический прогресс с 19 века60-е годы привели к растущей зависимости от дистанционного зондирования, особенно от сбора данных с помощью специально оборудованных спутников на околоземной орбите. К концу 1980-х годов прогнозы погоды в значительной степени основывались на определениях численных моделей, интегрированных с помощью высокоскоростных суперкомпьютеров, за исключением некоторых краткосрочных прогнозов, особенно связанных с местной грозовой активностью, которые делали специалисты, непосредственно интерпретирующие радиолокационные и спутниковые измерения. К началу 1990-х годов сеть доплеровских метеорологических радаров нового поколения (NEXRAD) в значительной степени была установлена ​​в Соединенных Штатах, что позволяло метеорологам предсказывать суровые погодные явления с дополнительным временем заблаговременности до их возникновения. В конце 19В 90-х и начале 21 века вычислительная мощность компьютеров увеличилась, что позволило метеобюро производить более сложные ансамблевые прогнозы, то есть наборы нескольких прогонов моделей, результаты которых ограничивают диапазон неопределенности прогноза.

Наука о прогнозировании погоды: что для этого нужно и почему так сложно сделать правильный прогноз

Encyclopædia Britannica, Inc./Patrick O’Neill Riley

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью, опубликованную 1 февраля 2022 года. 

Прогнозирование погоды — важная наука. Точное прогнозирование может помочь спасти жизни и свести к минимуму материальный ущерб. Это также имеет решающее значение для сельского хозяйства, позволяя фермерам отслеживать, когда лучше всего сажать, или помогая им защитить свой урожай.

И в ближайшие годы он станет еще более актуальным. Суровые погодные явления становятся все более частыми и интенсивными из-за изменения и изменчивости климата.

Я метеоролог, специализирующийся на прогнозировании погоды и изменения климата, который хочет улучшить качество метеорологических продуктов и их применения для стимулирования социально-экономического развития в Африке. Это важно: Всемирный банк указал , что более точные прогнозы погоды могут способствовать развитию континента.

Итак, как работает прогнозирование? Что нужно для получения точных, надежных и своевременных прогнозов? И как африканские страны могут добиться большего успеха на этом фронте?

Сложный процесс

Прогнозирование погоды — сложная и трудная задача. Процесс включает в себя три этапа: наблюдение, анализ и общение.

Для наблюдений синоптики работают с атмосферными моделями. Это наборы уравнений, описывающих состояние атмосферы. Модели используют информацию о начальном состоянии (наблюдениях) атмосферы, суши и океана для прогнозирования погоды. Данные моделей объединяются с информацией, полученной от метеостанций, установленных в ключевых точках региона или страны, чтобы получить фактическое состояние атмосферы. Это ассимиляция данных дает более точный прогноз, поскольку оптимизирует понимание синоптиками развивающейся системы погоды.

Легче быть точным при составлении краткосрочного прогноза (от часов до дней), чем при интерпретации долгосрочных (месяцев или сезонов) данных. Атмосферная система динамична; чем больше времени проходит, тем менее уверенными в его состоянии могут быть прогнозисты.

Технический прогресс значительно повысил общее качество прогнозов погоды. Например, благодаря автоматизированным метеостанциям возможно больше наблюдений. Также увеличилось использование высокопроизводительных вычислений. Это позволяет хранить больше данных, ускорять обработку, анализ и визуализацию входящих данных.

Эти наборы данных являются ключевыми в диагностике прошлой и текущей погоды для создания прогноза. К сожалению, сеть наблюдения за данными (как с ручными, так и с автоматическими станциями) все еще несовершенна, особенно в развивающихся странах. Это результат ограниченных инвестиций в сектор. Синоптики в этих странах вынуждены использовать альтернативные наборы данных, которые не очень точны.

Одним из таких альтернативных наборов данных является численное прогнозирование погоды. В нем используются глобальные детерминированные модели, которые обычно недостаточно детализированы, чтобы реалистично представить конвекцию на местном или региональном уровне; Синоптики, использующие эти данные, часто не могут точно предсказать количество осадков, особенно сильных дождей. Отсутствие доступа к более качественным историческим данным также означает, что синоптики изо всех сил пытаются определить, когда сезонные осадки в районе начнутся и закончатся, потому что они не могут изучить тенденции за годы или десятилетия.
Именно эти различия в доступе к данным и технологиям означают, что одни прогнозы более точны, чем другие.

После сопоставления прогнозы публикуются в различных формах. Способы упаковки метеорологических продуктов — приложений, телевизионных и радиовыпусков или обновлений веб-сайтов — будут различаться в зависимости от потребностей конечных пользователей. Некоторых людей, например фермеров, могут особенно интересовать сезонные прогнозы, и они будут искать их. Спортсмены, например, чаще используют порталы или сервисы, ориентированные на ежечасные и ежедневные прогнозы.

Я бы порекомендовал, кем бы вы ни были, учитывать сезонные прогнозы как общую информацию для широкого планирования. Но это следует интерпретировать вместе с ежемесячными, еженедельными и ежедневными прогнозами для точности.

Знания коренных народов

Некоторые африканские страны также используют другой вид данных для своих прогнозов: экологические знания коренных народов. Это влечет за собой использование давних знаний сообществ об их среде, и особенно о долгосрочных тенденциях и сдвигах. Такие знания могут быть объединены с научными процессами во время прогнозирования.

Хорошим примером являются «создатели дождя» из общины Нганьи в западной Кении. Эти жители обладают глубокими историческими знаниями о климате и погодных условиях этого района. Они используют растения и животных, чтобы понять, что делает погода. Теперь они работают с метеорологами из Кенийского метеорологического департамента для составления сезонных прогнозов погоды.

Знания коренных народов находятся под угрозой, так как старейшины, которые являются их хранителями, гибнут. Жизненно важные растения и животные, используемые в их процессах, также вымирают. Было бы очень жаль, если бы этот ресурс был потерян для синоптиков. Эти знания играют важную роль в обеспечении средств к существованию на местном уровне и поддерживают усилия по прогнозированию и осмыслению сезонного состояния климата в местном масштабе.

Грядут изменения

Некоторые способы прогнозирования погоды сегодня могут измениться в ближайшие годы. Всемирная метеорологическая организация призывает национальные метеорологические службы перейти от того, что погода будет (прогнозирование погоды), к тому, что погода будет делать  – к прогнозированию и предупреждению на основе воздействий.

Также необходимо обеспечить, чтобы прогнозы доходили до людей, которые в них нуждаются. Ряд африканских стран, в том числе Малави и Чад, приняли так называемое совместное планирование сценариев. Этот совместный подход разрабатывает и предоставляет климатическое информационное обслуживание, ориентированное на пользователя, путем перевода процесса совместного производства на субнациональный уровень. Он объединяет производителей и пользователей информации о погоде и климате – метеорологов, экспертов по знаниям коренных народов, исследователей, представителей различных секторов местного самоуправления, фермеров, а также НПО и журналистов.

Появляются и частные фирмы, предоставляющие глобальные прогнозы погоды. Это похвально, учитывая, что они дополняют услуги стран с ограниченными ресурсами. Но мой совет заключается в том, что там, где национальные метеорологические и гидрологические центры имеют возможность выпускать прогнозы погоды, их прогнозы следует рассматривать в первую очередь, а не прогнозы, подготовленные частными фирмами. Это связано с тем, что прогнозы национальных органов основаны на наблюдаемых исторических и наблюдаемых данных, хранителями которых они являются, а не на частных учреждениях, которые полагаются в основном на модельные данные.

Автор Виктор Онгома, доцент Политехнического университета Мохаммеда VI.

что нужно и с…

РАЗГОВОР

Изображение: Марк Кониг / Unsplash

Прогнозирование погоды – важная наука. Точное прогнозирование может помочь спасти жизни и свести к минимуму материальный ущерб. Это также имеет решающее значение для сельского хозяйства, позволяя фермерам отслеживать, когда лучше всего сажать, или помогая им защитить свой урожай.

И в ближайшие годы он станет еще более актуальным. Суровые погодные явления становятся все более частыми и интенсивными из-за изменения и изменчивости климата.

Я метеоролог, специализирующийся на прогнозировании погоды и изменения климата, который хочет улучшить качество метеорологических продуктов и их применения для стимулирования социально-экономического развития в Африке. Это важно: Всемирный банк указал, что более точные прогнозы погоды могут способствовать развитию континента.

Итак, как работает прогнозирование? Что нужно для получения точных, надежных и своевременных прогнозов? И как африканские страны могут добиться большего успеха на этом фронте?

Сложный процесс

Прогнозирование погоды является сложной и сложной задачей. Этот процесс включает в себя три этапа: наблюдение, анализ и общение.

Для наблюдений синоптики работают с атмосферными моделями. Это наборы уравнений, описывающих состояние атмосферы. Модели используют информацию о начальном состоянии (наблюдениях) атмосферы, суши и океана для прогнозирования погоды. Данные моделей объединяются с информацией, полученной от метеостанций, установленных в ключевых точках региона или страны, чтобы получить фактическое состояние атмосферы. Такое усвоение данных дает более точный прогноз, поскольку оптимизирует понимание синоптиками развивающейся системы погоды.

Легче быть точным при составлении краткосрочного прогноза (от часов до дней), чем при интерпретации долгосрочных (месяцев или сезонов) данных. Атмосферная система динамична; чем больше времени проходит, тем менее уверенными в его состоянии могут быть прогнозисты.

Технический прогресс значительно повысил общее качество прогнозов погоды. Например, благодаря автоматизированным метеостанциям возможно больше наблюдений. Также увеличилось использование высокопроизводительных вычислений. Это позволяет хранить больше данных, ускорять обработку, анализ и визуализацию входящих данных.

Эти наборы данных являются ключевыми в диагностике прошлой и текущей погоды для создания прогноза. К сожалению, сеть наблюдения за данными (как с ручными, так и с автоматическими станциями) все еще несовершенна, особенно в развивающихся странах. Это результат ограниченных инвестиций в сектор. Синоптики в этих странах вынуждены использовать альтернативные наборы данных, которые не очень точны.

Одним из таких альтернативных наборов данных является Численное прогнозирование погоды. В нем используются глобальные детерминированные модели, которые обычно недостаточно детализированы для реалистичного представления конвекции на местном или региональном уровне; Синоптики, использующие эти данные, часто не могут точно предсказать количество осадков, особенно сильных дождей. Отсутствие доступа к более качественным историческим данным также означает, что синоптики изо всех сил пытаются определить, когда сезонные осадки в районе начнутся и закончатся, потому что они не могут изучить тенденции за годы или десятилетия.

Именно эти различия в доступе к данным и технологиям означают, что одни прогнозы точнее других.

После сопоставления прогнозы публикуются в различных формах. Способы упаковки метеорологических продуктов — приложений, телевизионных и радиовыпусков или обновлений веб-сайтов — будут различаться в зависимости от потребностей конечных пользователей. Некоторых людей, например фермеров, могут особенно интересовать сезонные прогнозы, и они будут искать их. Спортсмены, например, чаще используют порталы или сервисы, ориентированные на ежечасные и ежедневные прогнозы.

Я бы порекомендовал, кем бы вы ни были, учитывать сезонные прогнозы как общую информацию для широкого планирования. Но это следует интерпретировать вместе с ежемесячными, еженедельными и ежедневными прогнозами для точности.

Знания коренных народов

Некоторые африканские страны также используют для своих прогнозов другой вид данных: экологические знания коренных народов. Это влечет за собой использование давних знаний сообществ об их среде, и особенно о долгосрочных тенденциях и сдвигах. Такие знания могут быть объединены с научными процессами во время прогнозирования.

Хорошим примером являются «создатели дождя» из общины Нганьи в западной Кении. Эти жители обладают глубокими историческими знаниями о климате и погодных условиях этого района. Они используют растения и животных, чтобы понять, что делает погода. Теперь они работают с метеорологами из метеорологического департамента Кении, чтобы составлять сезонные прогнозы погоды.