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 противная погода. Из-под облаков то и дело проступали голубые пятна и поддувал холодный ветер. Само по себе это обычное дело: в столице вечно то холодно, то пасмурно. Удивительно другое — что будет за окном в выходные, с большой точностью было известно еще в конце прошлой недели. 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 

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". 

Сотрудница станции комплексного фонового мониторинга Росгидромета на территории Алтайского государственного природного биосферного заповедника Кирилл Кухмарь/ТАСС 
Сотрудница станции комплексного фонового мониторинга Росгидромета на территории Алтайского государственного природного биосферного заповедника

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. 

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. 

В здании Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Сергей Фадеичев/ТАСС 
В здании Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

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.  

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. 

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. 

Автор: Марат Кузаев.​ 


Похожие новости

  • 25/03/2021

    О заседании президиума РАН 23 марта 2021 года

    23 марта 2021 года состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук (проводится в режиме видеоконференции). Председательствует президент РАН академик РАН Александр Михайлович Сергеев.
    333
  • 17/02/2021

    Как свежие разработки сибирских учёных используются на практике? Репортаж с пресс-конференции Иркутского научного центра СО РАН

    2021 год объявлен Годом науки и технологий. А Сибирское отделение СО РАН (первоначально – Восточно-Сибирское) появилось 70 лет назад. Подразумевалось, что у него будет два направления работы: фундаментальные исследования и практическая часть по решению проблем региона.
    264
  • 16/02/2021

    Большая часть Якутии - в зоне повышенного сейсмориска?

    Ученые Академии наук Республики Саха (Якутия) установили закономерности процессов сейсмотектонической деструкции земной коры в пределах дельты Лены – новейшие структуры этой территории способны продуцировать сейсмические события с магнитудой Mw = 6.
    414
  • 26/02/2021

    Понимать людей без слов, создать ситиферму и редактировать геном: как пройдут финалы Олимпиады Кружкового движения НТИ

    22 февраля в России стартовали финальные этапы шестого сезона Олимпиады Кружкового движения Национальной технологической инициативы (НТИ) для учащихся 8–11 классов. С помощью реального оборудования участники будут решать практические инженерные задачи, максимально приближенные к жизни.
    445
  • 04/12/2020

    Александр Федоров: многолетняя мерзлота тает от Тибета до Арктики

    ​Около половины территории России расположено на многолетней мерзлоте. Согласно мнению Международной группы экспертов по изучению климата (МГЭИК), таяние мерзлоты станет основным объектом изучения для ученых-климатологов в ближайшие десять лет.
    895
  • 30/03/2021

    Более 1500 абитуриентов посетили День открытых дверей в НГУ

    День открытых дверей – повод обсудить любые вопросы с представителями факультетов и приемной комиссией университета. Деканы факультетов и институтов провели презентации, на которых рассказали об особенностях учебных программ и перспективах трудоустройства.
    234
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    722
  • 21/12/2020

    Что нового в Nature, Science и The Lancet. 20 декабря

    Много вакцин от коронавируса, происхождение птерозавров, научные итоги года, любовь панд к какашкам и структура коры Марса – все это и многое другое в обзоре ведущих журналов от нашего научного редактора.
    339
  • 26/11/2020

    Андрей Юрченко: мы разрабатываем систему экомониторинга Норильска

    ​​​​​Большая норильская экспедиция Сибирского отделения Российской академии наук – это не только полевые и лабораторные работы, за деятельностью промышленных предприятий начали внимательно следить со спутников.
    764
  • 07/04/2021

    7 апреля 2021 года состоятся заседания Объединенных ученых советов СО РАН по направлениям науки

     Повестка заседания Объединенного ученого совета СО РАН по математике и информатике (15:00, конференц-зал ИМ СО РАН).  Повестка заседания Объединенного ученого совета СО РАН по нанотехнологиям и информационным технологиям (с 10:00 новосибирского времени в режиме видеоконференции).
    378