спочатку спостереження
Прогнозування погоди починається зі спостереження за поточним станом атмосфери. Знаючи її поточний стан, синоптики можуть потім прогнозувати майбутні зміни погоди в найближчі дні або тижні.
«Ми живемо в повітряному океані, всі зміни погоди залежать від сонячного випромінювання. Стан повітряного океану скоріше говорить про майбутню погоду, ніж про погоду зараз », - писав у вступі до своєї« Книзі про погоду »Роберт Фіцрой - засновник і керівник Британського метеорологічного департаменту, майбутнього Met Office.
Перший в історії прогноз погоди, опублікований у пресі, був складений саме Робертом Фіцроя. Він був опублікований в англійській газеті Times 1 серпня 1861 року. За однією з версій, саме неточність складаються ним прогнозів і стала причиною його добровільного відходу з життя.
Численні погодні датчики, розміщені на поверхні Землі і над нею, в море і на орбіті, вимірюють цілий ряд погодних параметрів, які допомагають максимально намалювати найбільш повну картину погоди на нашій планеті. Збір погодної інформації ведеться метеорологічними організаціями по всій земній кулі, а потім національні метеослужби обмінюються нею зі своїми колегами в інших країнах.
До основних погодних параметрів відносяться: температура, атмосферний тиск, вологість, швидкість і напрям вітру, опади і їх кількість. Для їх вимірювання на суші діє мережа метеостанцій. У Росії таких метеостанцій 1670, тоді як, наприклад, в Китаї їх понад 53 тисяч. Вони можуть обслуговуватися як фахівцями-метеорологами, так і бути повністю автоматизованими. У США, наприклад, діє мережа автоматизованих систем спостережень (ASOS) за поверхнею. Такі метеостанції встановлені в більш ніж 900 аеропортах по всій країні, де вони збирають інформацію про погодні явища.
Автоматична метеостанція в аеропорту Чайлдресс (штат Техас) /©weather.gov
А ось відстежувати в режимі реального часу місцезнаходження і переміщення хмарних утворень, виникнення зон інтенсивних опадів, фіксувати зони небезпечних явищ, в тому числі гроз, граду, шквалів, стежити за їх розвитком і переміщенням допомагають спеціальні погодні радари. У нашій країні розробкою і виробництвом такого обладнання займається концерн «Алмаз-Антей», відомий своїми системами протиповітряної і протиракетної оборони. Доплеровский метеорологічний радіолокатор (ДМРЛ-С), розроблений цієї провідної оборонною корпорацією, відноситься до нового покоління радарів з подвійною поляризацією сигналу. Сучасні радари ДМРЛ-С мають радіус огляду 250-300 км і дозволяють здійснювати циклічні спостереження з періодичністю від 3 до 15 хвилин в цілодобовому автоматизованому режимі. Вони надають дані з високим просторовим дозволом (0,5-1 км) на площі до 200 тис. Км2. Всього в планах Росгідромету до 2020 року значиться установка близько 140 радіолокаторів ДМРЛ-С. Спеціально розроблене для радіолокатора ДМРЛ-С програмне забезпечення (ПО ВОІ «Гимет-2010») дає можливість співвідносити метеоявищ на мапі ДМРЛ-С з синоптичної ситуації. Графічну інформацію з цих камер безпеки ми можемо побачити на картах опадів, наявних на багатьох погодних сайтах.
У США також існує мережа метеорадар, яка включає більш ніж 120 доплеровских радарів. Нещодавно вони були вдосконалені за допомогою технології Dual Polarization Technology, аналогічної тій, що застосували в ДМРЛ-С. На даний момент мережа погодних радарів в США вважається найбільш розвинутою в світі. Радарами покрита практично вся територія, причому східна частина країни з великим запасом. Саме тому короткостроковий прогноз погоди в Вашингтоні і Нью-Йорку вважається одним з найбільш точних на планеті. У Росії зараз також реалізується програма розвитку радіолокаційної мережі, нові радари будуються, насамперед, в Центральному регіоні, на півдні Сибіру і Далекого Сходу
Доплеровский радари відправляють імпульси радіохвиль для сканування атмосфери / © noaa
На воді, в океанах і морях, збирають дані про погоду метеобуі. Вони, як і інші типи метеорологічних станцій, вимірюють такі параметри, як температура повітря над поверхнею океану, швидкість вітру (постійна і рвучка) і напрямок, барометричний тиск. Оскільки погодні буї знаходяться в водоймах, вони також вимірюють температуру поверхні моря і висоту хвиль. Отримані дані обробляються і можуть реєструватися на борту буя, а потім передаватися по радіо, стільникового або супутникового зв'язку в метеорологічні центри для використання в прогнозуванні погоди. Використовуються як пришвартовані буї, так і дрейфують, в тому числі і в відкритих океанських течіях. Фіксовані буї вимірюють температуру води на глибині до 3 метрів.
Для вимірювання параметрів атмосфери безпосередньо в її «товщі» в повітря запускаються метеозонди. Вони вимірюють параметри атмосфери і по радіо передають дані назад на аерологічні станції спостережень. У всьому світі діє близько 870 станцій метеорологічного зондування, з них 115 - на території нашої країни. Ось тільки з 2015 року Росгідромет став запускати метеозонди для вивчення атмосфери в два рази рідше . Замість щоденного дворазового зондування російські метеорологи перейшли на одноразове. «Інформації тепер збирається менше, а це, в свою чергу, позначається на точності початкових даних, від яких" стартують "прогностичні моделі», - зазначив директор Гідрометцентру Роман Вільфанд. Відбилося це на якості прогнозів погоди не тільки в нашій країні, але і, наприклад, в сусідньому Китаї, прогнози в якому багато в чому залежать від даних російських метеостанцій.
Вище метеозондов спостерігають за погодою метеосупутники. Але і тут все не так просто. Росія має чотири метеосупутника. Два з них знаходяться на геостаціонарній орбіті, це «Електро-Л №1» і «Електро-Л №2». На жаль, запущений в січні 2011 року «Електро-Л №1» вийшов з ладу, хоча передбачалося, що космічний апарат пропрацює на орбіті не менше 10 років. «Електро-Л №2» працює. Перебуваючи постійно в одній точці над Землею, він знімає цілком все Східне півкуля планети. Космічний апарат цієї серії з висоти 35 786 км здатний проводити багатоспектральну зйомку у видимому і інфрачервоному діапазонах з роздільною здатністю 1 км і 4 км відповідно. Знімки робляться кожні півгодини.
Низькоорбітальні супутники «Метеор-1» і «Метеор-2» мають більш низьку орбіту - 825 кілометрів, це дозволяє отримувати більш детальну інформацію, ніж при використанні розташованих на набагато вищій орбіті геостаціонарних супутників. Обидва космічні апарати виведені на сонячно-синхронну орбіту. Ось тільки «Метеор-1» теж не функціонує, на орбіті він ще знаходиться, але картинку вже не дає. Таким чином, наша країна на сьогоднішній день тільки два діючих метеосупутника. Для порівняння, у США на орбіті постійно працюють п'ять метеосупутників і ще один апарат знаходиться в резерві. Однак варто сказати, що ще вісім років тому російських метеорологічних супутників в космосі не було зовсім . Російські метеорологи користувалися інформацією, отриманою від супутників, запущених США, ЄС і Китаєм. Навіть особливо точні військові карти з грифом «цілком таємно» складалися на основі даних з американських супутників.
Завдяки саме супутниковим спостереженням вдається істотно підвищити точність прогнозів погоди. Так, наприклад, завдяки інструменту AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder), виведеному в космос на борту супутника Aqua, NASA вдалося істотно підвищити точність прогнозування погоди. Прилад дозволяє створювати тривимірні карти температури повітря і поверхні, водяної пари і властивостей хмар. Маючи 2378 спектральних каналів, AIRS дає дозвіл більш ніж в 100 разів більше, ніж попередні інфрачервоні зонди, і забезпечує більш точну інформацію про вертикальних профілях атмосферної температури і вологості. AIRS також може вимірювати слідові парникові гази, такі як озон, чадний газ, двоокис вуглецю і метан.
Структура хмарності урагану Ірма (серпень-вересень 2017 року) побудована на основі даних AIRS / © airs.jpl.nasa.gov
Крім сприяння в складанні найточніших прогнозів, AIRS відстежує викиди вулканів і дим від лісових пожеж, вимірює шкідливі сполуки, такі як аміак. Якщо ви чуєте про те, що озоновий шар над Антарктидою почав відновлюватися , То це завдяки AIRS, який і це помічає.
Є й інші способи спостереження за погодою з космосу. Метод скаттерометріі дозволяє дистанційно визначати швидкість і напрям вітру в океанах. Скаттерометр - це мікрохвильової радар, скануючий поверхню океану і дозволяє вимірювати питому ефективну площу розсіювання, що дає можливість відновлювати параметри приводного вітру. Радар «бачить» хвилі і визначає куди і з якою швидкістю дме вітер. Перший такий прилад був встановлений на борту американського космічного апарату SeaSat в 1978 році і вперше довів можливість точного вимірювання швидкості вітру з орбіти. На орбіті вже працювала велика кількість супутників-скатеррометров. подібний інструмент RapidScat був встановлений на Міжнародній космічній станції і діяв з вересня 2014 року по серпень 2016 року. Створення повномасштабної угруповання супутників-скатеррометров дозволить більш ефективно здійснювати прогнозування морських штормів, вивчати океанічну циркуляцію, взаємодія атмосфери і океану і їх вплив на погоду і глобальний клімат.
Суперпомощнікі
«Прогноз погоди - це рішення складної математичної задачі. В рамках системи рівнянь описуються закони атмосферної циркуляції, припливу тепла, вертикальних рухів. Це дуже складна система, і вирішувати її можна тільки на суперкомп'ютерах », - пояснює Роман Вільфанд.
Сама ідея створення прогнозу погоди з використанням динамічних рівнянь була вперше висунута англійським математиком Льюїсом Фраєм Ричардсоном ще в 1922 році. Він зрозумів, що динаміку атмосфери можна моделювати, виконуючи тисячі рівнянь, тим самим маючи можливість прогнозувати погоду.
Однак в докомпьютерную століття існував єдиний варіант застосування даного чисельного методу - вручну. Річардсон підрахував, що буде потрібно 64 тисячі чоловік для виконання розрахунків, необхідних для своєчасного якісного прогнозу. І хоча це було непрактично, його теорія лягла в основу прогнозування погоди в міру вдосконалення технології.
Сьогодні по всій планеті щодня і щогодини збираються мільярди метеорологічних даних, зареєстрованих наземними метеорологічними станціями, Метеозонд, океанськими буями і метеорологічними супутниками. Весь цей потік погодних даних направляється до центрів обробки метеорологічної інформації, оснащені, як правило, найсучаснішими комп'ютерами, так як прогноз на завтра потрібен вже зараз, а не завтра або через тиждень. Менш потужні машини були б не здатні обробити таку кількість даних в прийнятний термін.
Станом на листопад 2016 року, в списку Top500, рейтингу найпотужніших обчислювальних систем світу, значилося 23 суперкомп'ютера, призначених для прогнозування погоди. І хоча ці 23 системи являють собою менше п'яти відсотків від загального числа суперкомп'ютерів в списку, вони становлять більше семи відсотків від загальної продуктивності списку. В даний час найпотужнішим комп'ютером для прогнозування погоди є машина Метеорологічного бюро Сполученого Королівства Cray XC40, яка забезпечує продуктивність 7 петафлопс і знаходиться під номером 11 в Top500. Другий найпотужніший - це спустився в рейтингу на 2 позиції у порівнянні з минулим роком Cheyenne, встановлений в Національному центрі атмосферних досліджень США (NCAR). Сьогодні він займає 22 місце в списку, забезпечуючи продуктивність 4,8 петафлопса. Один петафлопс означає, що за секунду машина може зробити тисячу трильйонів операцій з плаваючою крапкою.
Суперкомп'ютер Cray XC40 національної служби погоди Сполученого Королівства - Met Office / © metoffice.gov.uk
На цьому тлі російські метеорологи, звичайно, виглядають вельми скромно. Головний обчислювальний центр Росгідромету має на сьогоднішній день трьома обчислювальними кластерами загальною продуктивністю 62 терафлопса (трильйона операцій в секунду). новий суперкомп'ютер планують встановити до кінця року. Параметри його продуктивності не розкриваються. Актуальність в ньому назріла після урагану, який стався в Москві 29 травня. Тоді загинуло 18 осіб. За словами Романа Вільфанд, для остаточної настройки комп'ютера буде потрібно ще від 6 до 8 місяців. Але прогнози високого дозволу для Московського регіону з кроком в кілометр з'являться ще пізніше - до кінця 2019 року.
Методи прогнозування погоди
Вважається, що пророкування погоди є кінцевою метою дослідження атмосфери. Прогнозування відзначається як найбільш розвинена область в метеорології. Природа сучасного прогнозування погоди досить складна. Прийнято виділяти три методи наукового прогнозування погоди: синоптична прогнозування погоди, чисельний (він же гідродинамічний) метод і статистичний.
Синоптична прогнозування - це традиційний підхід до прогнозування погоди. До кінця 1950-х років цей метод використовувався як основний. Він грунтується на побудові і аналізі синоптичних карт, що зображують атмосферні умови в конкретний момент часу. На них виділяються окремі об'єкти (циклони, антициклони, атмосферні фронти і т. Д.), Для кожного з яких властиві певні типи погодних умов. Сучасний метеорологічний центр щодня готує серію синоптичних карт. Такі карти складають основу прогнозів погоди. Завдання підготовки синоптичних карт на постійній основі включає в себе збір та аналіз величезної кількості даних спостережень, отриманих з безлічі метеорологічних станцій.
Першу карту погоди склав французький математик, директор Паризької обсерваторії Урбен Левер'є 19 лютого 1855 року. Цей процес забрав чимало часу. Її склали на основі даних, отриманих по телеграфу з декількох міст Європи. Різнобічний Леверье також відомий тим, що на підставі його розрахунків була відкрита планета Нептун.
На основі ретельного вивчення метеорологічних карт протягом багатьох років були сформульовані певні емпіричні правила. Ці правила допомагають метеорологам оцінити швидкість і напрямок руху погодних систем. Наприклад, коли відомий тип погоди, створюваної уздовж фронту, а також швидкість і напрямок рухається бурі, можна зробити досить точний прогноз погоди для обраної місцевості.
Але через раптові перепади в циклонічної системі ці прогнози дійсні протягом лише короткого періоду часу, скажімо, протягом декількох годин або днів. Прогнозування на більш тривалий період вже важко.
Сучасна синоптична карта / © meteorf.ru
В середині минулого століття прийшли до висновку, що інші методи можуть більш точно прогнозувати майбутню погоду, ніж це було можливо за допомогою традиційного синоптичного підходу. Чисельний метод включає в себе багато математики. Він також називається «гідродинамічним» і заснований на побудові математичних моделей атмосфери і моделей взаємодії атмосфери і океану. У ньому вирішуються рівняння гідро- і термодинаміки і використовуються основні фізичні закони.
Гази атмосфери підкоряються ряду фізичних принципів, і якщо відомі поточні умови атмосфери, то відомі фізичні закони можуть використовуватися для прогнозування майбутньої погоди.
З кінця 1940-х років спостерігається стійке зростання використання математичних моделей в прогнозуванні погоди. Ці процедури стали можливі завдяки просуванню в формулюванні математичних моделей. Математичні рівняння застосовуються для розробки теоретичних моделей загальної циркуляції атмосфери. Вони також використовуються для прогнозування змін в атмосфері з плином часу. У них враховуються параметри певних елементів погоди, таких як повітряні течії, температура, вологість, випаровування, хмарність, дощ, сніг і взаємодія повітряних потоків з поверхнею суші і океанів.
У розробці чисельного методу прогнозування погоди вирішальні кроки були зроблені радянським вченим, академіком А. М. Обуховим і американським вченим Дж. Чарні. Саме вони довели цей метод до практичної реалізації, що стала можливою з появою ЕОМ.
Коли ми розглядаємо Постійно мінліву атмосферу, та патенти, враховуваті велику Кількість змінніх. Це дуже складне завдання. І для її вирішення були підготовлені чисельні моделі, які ігнорують деякі змінні в припущенні, що деякі аспекти атмосфери не змінюються з часом. Це дозволяє знизити вимоги до продуктивності комп'ютерів, але одночасно знижується і якість прогнозу.
Статистичні методи використовуються поряд з чисельним прогнозом погоди. Цей метод часто доповнює чисельний метод. Статистичні методи використовують минулі записи метеорологічних даних, виходячи з припущення, що в майбутньому погода буде повторюватися.
Основна мета вивчення минулих метеорологічних даних - з'ясувати ті аспекти погоди, які є хорошими показниками майбутніх подій. Але таким чином можна робити прогноз погоди з великим кроком по території. Це особливо корисно при проектуванні тільки одного аспекту погоди за раз. Наприклад, це має велике значення для довгострокового прогнозування максимальної температури протягом дня в певному місці. Процедура полягає в зборі статистичних даних, що стосуються температури, швидкості і напряму вітру, кількості хмарності, вологості конкретного сезону року. Статистичний метод мають велике значення для довгострокових прогнозів погоди.
Як бачимо, можливостей для поліпшення точності прогнозів погоди достатньо. Потужності суперкомп'ютерів ростуть, і з великою впевненістю можна сказати, що вони будуть знаходити своє застосування в метеорології. Всі нові інструменти для спостереження за погодою виводяться в космос, зростає мережа метеорадар. В цілому, це стосується і нашої країни. Розвивається новий напрямок у прогнозуванні погоди - наукастінг, що дозволяє випускати сверхкраткосрочних прогноз про небезпечні явища погоди на найближчі кілька годин. Так що будемо сподіватися, що обіцянки глави Гідрометцентру Романа Вільфанд про прогнози погоди з точністю до району і навіть вулиці будуть реалізовані.
