Бесшовный прогноз и другие задачи. Интервью с доктором географических наук Андреем Шиховым

​Андрей Шихов, профессор географического факультета ПГНИУ, ‒ о работе синоптиков, пермских катаклизмах, искусственном интеллекте и будущем лете.

Андрей Николаевич, давайте начнем с мифов. Какие мифы о погоде и климате, укоренившиеся в общественном сознании, кажутся вам самыми нелепыми?

‒ Мифов достаточно много, сложно выбрать из них самые нелепые. Вообще пока будут происходить явления, которые кажутся людям необъяснимыми, вокруг них будут формироваться мифы. Допустим, если через Пермь пройдет разрушительный торнадо, то немалая доля жителей города будут считать, что это климатическое оружие, несмотря на всю абсурдность такого утверждения. Много также мифов вокруг глобального потепления.

Есть также немало заблуждений вокруг прогнозов погоды, начиная с того, что синоптики «предсказывают, а не прогнозируют». Люди очень плохо представляют, как делаются прогнозы и откуда берется та информация, которую они видят у себя в телефоне. Но с этими мифами уже проще бороться, так как сейчас доступны погодные онлайн-карты нового поколения – симуляторы атмосферы (ventusky.com или windy.com), которые позволяют лучше понять, что такое современный прогноз погоды.

Каким источникам прогноза погоды в Перми можно верить?

‒ У нас сейчас есть три информационных ресурса, которые публикуют прогнозы для Пермского края – это ресурсы Пермского ЦГМС, проект «Метеоролог.и.я» и ГИС-центр ПГНИУ. Мы все пользуемся одними источниками данных, но решаем разные задачи. Пермский ЦГМС выпускает официальный прогноз, их прогнозами пользуются органы власти, принимая решения, а также органы МЧС. Мы больше специализируемся на разных опасных и просто интересных явлениях, поэтому информация на нашем канале публикуется с разной степенью регулярности.

С какими катаклизмами или наиболее редкими природными явлениями Вы как специалист встречались в своей жизни?

‒ Для Пермского края характерно около 20 типов явлений, которые считаются опасными при достижении определенной интенсивности. Это могут быть экстремальные температуры (сильные морозы −40˚ C и ниже, сильная жара 36˚ C и выше), сильные дожди и снегопады, сильные ветра и шквалы (25 м/с и более), крупный град, смерчи и т. д. Если оценивать редкость явления как возможность наблюдать его из определенной точки, то, конечно, самыми редкими являются смерчи. Хотя они у нас случаются чаще, чем считалось ранее. За последние 40 лет в Пермском крае зафиксировано более 100 случаев сухопутных смерчей, которые оставили повреждения леса (ветровалы), иногда весьма впечатляющие просеки в лесах. Около 20 случаев имели интенсивность F2 и выше (это достаточно сильные смерчи с максимальной скоростью ветра от 50 м/сек). Последний раз такие интенсивные смерчи наблюдались 13 сентября 2018 г. на севере края, и вообще большинство смерчей отмечается именно на севере. Но смерчи очень локальны, их ширина составляет обычно 100-500 м, иногда до 1000 м, что очень мало в сравнении со всей территорией края, ничтожные доли процента.

Разрушительные шквалы – тоже редкое событие. Но некоторые из них охватывают сразу обширные территории, несколько районов, поэтому и ущерб от них больше, чем от торнадо. Но чаще шквалы также проходят локально. Например, в июле 2019 г. сильный шквал был в районе городской эспланады и нанес значительные разрушения всего за одну минуту, тогда как на остальной территории города была обычная умеренная гроза. Если говорить именно о Перми, то сильные шквалы случаются 1-2 раза за 10 лет (последние случаи были 24 июня 2015 г. и 10 июля 2019 г.), а смерч наблюдался один раз (27 июня 2017 г. в Орджоникидзевском районе).

Также из редких явлений, которые ранее считались не очень типичными для края, можно выделить дождевые паводки, особенно паводок в июле 2019 года. Он наблюдался на западе и северо-западе края, хотя мы привыкли, что такие явления чаще происходят в горах. Паводок нанес большой ущерб, уровень воды в реках поднимался на 3-4 метра, что даже весной бывает далеко не каждый год. Ливни, которые вызвали этот паводок, стали рекордными за весь период наблюдений. Местами за пять дней с 11 по 16 июля выпало 20% от годовой нормы осадков.

Можно ли выделить какие-то наиболее опасные территории Пермского края с точки зрения погодных явлений?

‒ На эту тему у нас была защищена кандидатская диссертация в 2017 году, также годом ранее мы опубликовали Атлас опасных гидрометеорологических явлений Пермского края. Для разных территорий характерны разные опасные явления. Так, сильные морозы чаще наблюдаются на севере и северо-востоке, а сильные дожди и снегопады – в горах, чем на равнине. В частности, в июне 2015 г. в Губахе был зафиксирован самый сильный дождь за всю историю наблюдений в Пермском крае, и здесь же в апреле 2009 г. был, возможно, самый сильный снегопад. Примерно то же самое можно сказать и про Горнозаводский округ, и про Кизел, и про Красновишерск. В этих же районах чаще случаются и дождевые паводки.

Сильные грозы, град, шквалы и смерчи чаще происходят на севере и на западе края. Так, повторяемость гроз по имеющимся данным несколько выше на западе края, а больше всего случаев смерчей было в Гайнском районе. Наши исследования позволили выяснить, что в России есть своя «Аллея торнадо», которая проходит от Смоленской области через север Центрального Федерального округа и далее до юго-востока Республики Коми. Конечно, смерчей здесь на порядок меньше, чем на аллее торнадо в Северной Америке, но они тоже случаются довольно часто. Северо-запад Пермского края входит в эту полосу. Причина регулярного возникновения смерчей в этих местах состоит в том, что здесь чаще проходят траектории циклонов. Также в летний период здесь существенно выше влажность воздуха, что имеет критическое значение для возникновения торнадо.

Если давать какую-то общую оценку всей территории края, то северо-восток отличается самыми неблагоприятными условиями для хозяйственной деятельности и жизни людей, а самые благоприятные условия характерны для юго-запада края. Важно, что для северо-востока края характерно еще очень значительное накопление снега зимой, в среднем высота снежного покрова к марту достигает одного метра. То есть если бы Пермь находилась в условиях, аналогичных Горнозаводскому округу или Кизелу, то уборка снега была бы для города очень существенной проблемой.

Службы не всегда справляются с последствиями осадков – со снегопадами, ливнями. Сотрудничают ли синоптики с городскими властями в этих вопросах?

‒ Вообще сильные снегопады прогнозируются весьма точно в сравнении с другими опасными явлениями. Городские власти узнают о том, что ожидается сильный снегопад еще за 2-3 дня до события, проводят совещания, готовят технику. В последние годы я не помню случаев, чтобы город был совсем не готов к снегопаду. А вот обратные примеры, когда на улицу выводится снегоуборочная техника, а убирать нечего, доводилось наблюдать довольно часто. И вообще я не думаю, что у нас с уборкой снега дела обстоят хуже, чем в соседних крупных городах. Например, в Екатеринбурге во время последнего сильного снегопада в конце декабря 2023 г. случился полный транспортный коллапс, в Перми же подобного не было в последние годы (хотя и снегопадов рекордной интенсивности также не было).

С дождями все гораздо сложнее, потому что ливни имеют локальный характер, время и место их выпадения прогнозируется плохо. Городские потопы обусловлены значительной площадью, покрытой бетоном и асфальтом, по которому вода стекает в пониженные участки. И ливневая канализация, естественно, не справляется, если интенсивность осадков составляет 2-5 мм в минуту. Самый масштабный потоп на моей памяти случился 3 июня 2015 года. Причем в его зону попала очень узкая область – от Нагорного до Камского порта, шириной примерно в километр. В этой полосе могло выпасть не менее 30 мм осадков за 40 минут, судя по данным радара. А на остальной территории дождя не было вообще, либо он был слабым.

Для прогноза таких потопов в городе требуется разработка достаточно сложной системы, основанной на данных метеорологических радиолокаторов. У нас это вряд ли будет реализовано, а в Сочи или Новороссийске, например, подобную систему необходимо создать, поскольку там объемы выпадающих осадков совсем другие, и потопы часто приводят к гибели людей и огромному ущербу. У нас же подобных случаев пока не было, и вообще в условиях равнинного рельефа это крайне маловероятно.

Над чем сейчас работает мировая метеорология?

‒ Самой большой проблемой современной метеорологии является так называемый бесшовный прогноз. Прогнозы, которые всем доступны на многочисленных онлайн-сервисах, имеют вполне приличную достоверность на срок 5-7 суток. В ансамблевых прогнозах можно повысить достоверность на срок до 10-12 суток. Но у прогнозов на месяц и сезон точность совсем низкая. А такие прогнозы как раз имеют высокую прикладную значимость, поскольку нужно прогнозировать крупные аномалии сезонного масштаба, чтобы к ним могли готовиться отрасли сельского хозяйства, противопожарные и противопаводковые службы. Яркими примерами таких аномалий являются лето 2010 года с его пожарами и засухой или, наоборот, аномально дождливые периоды, как летом 2019 года. К сожалению, до сих пор нет реально работающих подходов к прогнозу таких аномалий. В результате появляется определенный простор для шарлатанства, СМИ нередко публикуют некорректные прогнозы на месяц и на сезон. Возможно, в решении этой проблемы поможет искусственный интеллект. В последний год нейросети начали активно применять для прогнозов на 1-2 недели, и произошел некоторый качественный скачок.

Вторая нерешенная проблема – это прогноз места и времени возникновения опасных явлений, приводящих к человеческим жертвам и разрушениям. То есть сами явления прогнозируются неплохо, но в рамках достаточно обширной области и некоторого шага по времени. А сказать точно, например, пройдет ли опасный шторм через крупный город или в пятидесяти километрах от него часто невозможно, хотя именно это имеет принципиальное значение для жителей. Есть множество случаев, когда шквалы и смерчи прогнозировались, но с некоторой ошибкой по времени, по местоположению или по интенсивности. Например, разрушительный шквал в Москве в мае 2017 г., когда погибли 18 человек. Проблема состоит в том, что эти явления охватывают сравнительно небольшую площадь, и поэтому хуже воспроизводятся современными моделями атмосферы, чем явления более крупного (синоптического) масштаба.

То же самое можно сказать и о сильных ливнях и паводках. Так, в зарубежной Европе огромные усилия и средства были вложены в создание системы прогнозирования экстремальных осадков и наводнений. Однако когда 14 июля 2021 г. в Германии и Бельгии случилось «наводнение века», то его масштаб стал полной неожиданностью для специалистов, а число жертв оказалось даже больше, чем при наводнении в Крымске в 2012 г., где на тот момент не было вообще никакой системы прогноза и оповещения. Так что, несмотря на развитие исследований в этой сфере, проблема прогноза опасных явлений по-прежнему очень серьезна. Она, в свою очередь, тесно связана с проблемой оповещения и реагирования людей на это оповещение.

Как работа синоптиков изменилась с точки зрения применяемых в прогнозе погоды технологий?

‒ Работа синоптика радикально поменялась в последние десятилетия. Раньше синоптик работал на базе фактической информации в основном вручную, а данные математических моделей атмосферы были скорее дополнительным источником. Сейчас же специалист берет несколько доступных прогнозов от ведущих мировых центров и сопоставляет их, а также учитывает свои знания о том, какие ошибки характерны для этих прогнозов в той или иной ситуации.

Если мы обратимся к классическим учебникам, например, 1980-х годов издания, то увидим, что уже тогда было понимание и математическое описание процессов, происходящих в атмосфере. Но еще не было способов воспроизвести их с высоким разрешением на компьютерах того времени. Далее в течение десятилетий происходил устойчивый, но постепенно замедляющийся рост качества прогнозов за счет двух составляющих: роста вычислительных мощностей и расширения объемов исходной информации. Вычислительные мощности – это суперкомпьютеры, возможности которых сейчас абсолютно несопоставимы с теми, которые были в конце XX века. А исходные данные также сильно изменились – если раньше основными их источниками были наземные наблюдения и радиозонды, то сейчас ключевую роль играют спутники, которых на орбите уже несколько сотен. Благодаря спутникам модели атмосферы стали получать на порядок больше данных, чем получали ранее. В результате мы видим очень существенный рост качества прогнозов, особенно если сравнить современные прогнозы с теми, которые были, например, 15 лет назад.

Что касается искусственного интеллекта, то самая главная новость состоит в том, что массивы данных, которые сформированы в результате работы моделей атмосферы за несколько десятилетий, стали использовать для обучения нейросетей. То есть искусственный интеллект обучается на этих данных и затем применяет их к прогнозу на будущее. Появились такого рода нейросетевые модели буквально летом прошлого года. Они обеспечили существенный рост точности прогноза температуры воздуха и ветров, но пока, насколько мне известно, не оценивались для прогноза осадков или опасных явлений (который обычно менее точный).

Два пермских университета вошли в ТОП-100 Национального агрегированного рейтинга

Были ли на базе ПГНИУ попытки создать собственную модель искусственного интеллекта для прогнозирования?

‒ Это задача огромных масштабов. Для разработки такой модели нужно быть крупным исследовательским центром мирового уровня. На пустом месте такой проект реализовать невозможно, требуются значительные инвестиции и привлечение ведущих специалистов мирового уровня. В настоящее время ведущими мировыми центрами, способными заниматься разработкой подобных моделей, являются, например, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды, академия наук Китая или компания Google.

Чего следует опасаться жителям Пермского края в ближайшие несколько месяцев?

‒ Интервал в несколько месяцев, конечно, выходит за рамки прогноза на десять дней, о котором было упомянуто ранее. Однако есть характерные для весны и лета опасные явления. Так, весеннее половодье на реках края в этом году по всем признакам ожидается ниже нормы, что исключает какие-то значительные затопления и чрезвычайные ситуации.

Также для весны, особенно для первой половины мая, характерна высокая пожароопасность из-за поджогов сухой травы и мусора, низкой влажности воздуха и сильных ветров. Многочисленные пожары наблюдались в мае 2019, 2021, 2023 гг., возможны они и в этом году, если сложатся подходящие погодные условия (высокая температура и сильный ветер).

Летом каждый год отмечаются шквалы, крупный град и сильные грозы. В последние два года их число было невелико, поэтому в силу стремления к некоторой норме можно ожидать, что в этом году их будет больше.

Также последние летние сезоны отмечались волнами жары до +38°. Но они не были продолжительными, а именно длительная жара наиболее негативно влияет на здоровье людей. Вообще в Пермском крае с 1989 года не было случаев, когда температура воздуха на протяжении нескольких недель держалась около +30°C и выше. Такая длительная жара может обернуться серьезным стрессом для жителей городов, так как наши «каменные джунгли» медленнее остывают в ночное время и температура может оставаться около +25°C даже ночью. Но климат меняется, становится теплее, риск таких длительных волн жары растет; не исключено, что в этом году мы увидим нечто подобное.

Говоря об общих климатических тенденциях, можно ли сказать, что из года в год лето в Перми теплеет?

‒ В целом лето в Перми теплеет, хотя и медленнее, чем другие сезоны. Средняя температура июля, которая 30 лет назад составляла +18,1°C, сейчас увеличилась до +18,5-18,7°C, всего на полградуса. Тогда как март, май и октябрь стали теплее на полтора-два градуса, январь – на 2,5°C.

Но летом мы отмечаем рост случаев сильной жары. Так, за всю историю наблюдений до 2020 года в Пермском крае всего два раза температура поднималась выше 38°C: в 1931 году в Осе и в 2010 году в Верещагино. А за последние четыре года было уже три таких случая: в 2020 году в Лысьве, в 2021 году в Чайковском и в прошлом году сразу на нескольких метеостанциях. Потепление климата способствует приходу более теплых воздушных масс в регион, жара может быть сильнее, чем раньше.

В чем специфика проявления глобального потепления в Перми?

‒ Поскольку мы находимся на континенте, потепление у нас проявляется сильнее, чем в среднем по миру. В масштабах планеты температура поднялась приблизительно на один градус, в то время как в нашем регионе этот прирост составляет полтора-два градуса. В то же время температура в Пермском крае повышается не так сильно, как, например, в Арктике, где уже потеплело на 4°C и более.

Каким будет лето-2024 в Перми?

‒ На данный момент трудно ответить на этот вопрос, особенно после провального прогноза на прошлогоднее лето. В прошлом году многие ожидали, что лето в Поволжье и на Урале будет дождливым, и связывали это с явлением Эль-Ниньо в Тихом океане. Подобное происходило, например, летом 2015 года. В итоге лето действительно оказалось дождливым в Поволжье и в Зауралье, а у нас случилась рекордная засуха.

В 2024 году ожидается переход фазы Эль-Ниньо в обратную фазу (Ла-Нинья), и в этой связи рассматривают аналог 2016 года, когда лето у нас было очень жарким. Модели сезонного прогноза также пока указывают на высокую вероятность формирования блокирующих антициклонов и продолжительной жары. Но пока не стоит доверять этим прогнозам. Лучше дождаться конца апреля, поскольку характер циркуляции и погода в апреле у нас нередко соответствует будущему лету.