«Может солнце, может дождь»: как составляют метеопрогнозы и почему они все еще неточные
Метеорология как наука появилась еще до нашей эры благодаря Аристотелю, придумавшему названия множеству современных дисциплин. Погодные предсказания философа основывались на наблюдении за небом и характером осадков. Корректных результатов вывести не получилось и в историю он вошел не как синоптик. Но именно Аристотель обратил внимание на научный потенциал изучения погоды.
Сегодня метеорологи используют улучшенные аналоги инструментов, применявшихся еще в XIX веке: барометр, термометр и дождемер. Все эти аппараты устанавливаются на земле –– располагаются на метеорологических региональных станциях — в небольших деревянных или пластмассовых ящиках, напоминающих ульи.
Информацию о промерзании почвы получают с помощью термометров, размещающихся в земле на разной глубине. Температура воздуха измеряется через будочные термометры. О давлении метеорологи узнают через ртутные барометры: первый аналог этого прибора использовал итальянец Торричелли в 1644 году. Еще один важный прибор на метеорологической станции, осадкометр — по сути, немного модернизированное ведро. Скопившуюся за ночь или день воду выливают в стакан с делениями, где каждые 10 соответствуют 1 мм осадков.
Почему прогнозы не бывают точными?
Метеорологи собирают информацию каждые три часа и зашифровывают данные с помощью спецкода: данные из Франции смогут применить для российского прогноза, потому что в обеих странах показания обработают на одной программе.
Штаб-квартира Всемирной метеорологической организации находится в Женеве. Именно туда региональную информацию посылает Росгидромет, взамен получая данные из других районов Европы.
После расшифровки метеонаблюдений данные загружаются в модель –– комплекс гидродинамических уравнений с множеством задаваемых переменных. Для каждого временного промежутка есть уточненная формула, которой и нужно пользоваться. После внесения информации с региональных станций модель рассчитывает конкретные параметры. Затем результаты обобщают синоптики.
Человек создает прогноз на основе бессвязных выводов компьютера: как и куда будет двигаться атмосферный фронт или вихрь, воздушная масса. Синоптик оценивает эволюционный потенциал массы –– вырастет ли температура, скорость или давление. При этом окончательного варианта быть не может: значимые коррективы могут внести за час до публикации прогноза.
Атмосферный фронт — переходная зона в тропосфере между смежными воздушными массами с разными физическими свойствами.
Воздушная масса — большие объемы воздуха в нижней части земной атмосферы — тропосфере, имеющие горизонтальные размеры во много сотен или несколько тысяч километров и вертикальные размеры в несколько километров, характеризующиеся примерной однородностью температуры и влагосодержания по горизонтали.
Неточности или ошибки в прогнозах появляются из-за недостаточных данных. Покрытие метеорологических станций не повсеместно: среднее расстояние между пунктами в Сибири –– 300 км. Из-за этого на картах появляются «белые пятна», прогнозы для которых получают через интерполяцию.
Радар –– один из способов расширить границы зон точных метеорологических прогнозов в области осадков. Чем больше установок размещается на близком расстоянии, тем точнее становятся результаты. Радиолокация использует двойную поляризацию –– по горизонтальным и вертикальным осям. Это позволяет не только засечь осадки, но и определить их тип: дождь, снег или град.
Такой результат получается из-за двойного отражения, которое поступает от капли в сторону радара, посылающего первый луч. Сканируя параметры капель, радары могут определять их размер, а также способ движения –– падение или циркуляцию внутри облаков.
В основе радарных наблюдений лежит эффект Доплера: если объект движется к наблюдателю, радиолокационные волны от него будут иметь частоты выше, чем если бы объект удалялся. Гудение машины достигает частотного пика, когда автомобиль вплотную подъезжает к наблюдателю, и постепенно снижается вместе с удалением источника.
Радары активно используются в США, где синоптики постоянно отслеживают движения больших вихрей в нижних слоях атмосферы и на поверхности. Ученые не могут предсказать путь движения торнадо, но моделируют темпы его развития на основе данных радара. Они используют доплеровский радар, измеряющий расстояние до объекта и его скорость.
Стратосфера, которую мы не видим
От радаров не получить информации, достаточной для предсказания движения больших погодных фронтов. За ними лучше наблюдать сверху –– именно оттуда, где на орбите Земли дрейфуют низкоорбитальные спутники.
Первые метеорологические снимки из космоса были получены с помощью геостационарного спутника GOES-7. Он мог отправлять полноразмерное изображение западного полушария Земли масштабом 1 кв. км на пиксель как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне. Такие «сообщения» спутник присылал каждые 30 минут.
Постепенно скорость передачи изображений увеличивалась: сейчас спутники отправляют результаты наблюдений каждые 10 минут. В 2017 и 2018 годах над западным полушарием поднялись спутники GOES-16 и GOES-17, которые дают изображения, по разрешению превосходящие снимки прошлых поколений в четыре раза. С помощью более точных фото синоптики предсказывают развитие лишь зарождающихся фронтов, а данные используются в дифференциальных уравнениях для предсказания погоды.
Другой способ исследования земной погоды с космических высот предложил американский ученый Льюис Каплан. Температуру в атмосфере можно рассчитывать измерением вибрации молекул на разных высотах. Сделать такие замеры тоже можно с помощью спутника.
Измерения колебаний молекул атмосферы можно было проводить с помощью метео- и радиозондов –– специальных шаров, запускаемых с земли. Подготовка оборудования требовала человеческих усилий и ресурсов. Кроме того, зонды не могли оперативно отправлять сведения о меняющихся условиях.
Каплан предложил свою технологию, когда космическая гонка вошла в активную стадию. Спутники рассказывали о состоянии атмосферы над океанами и труднодоступными регионами твердой поверхности планеты. Практика атмосферного зондирования оказалась эффективней предшествующих аналогов и постепенно закрепилась в метеорологии.
Работа атмосферных эхолотов основывается на том, что выделение тепла сопутствует излучению. Молекулы атмосферных газов не становятся исключением. Инфракрасные зонды, сканирующие инфракрасную часть электромагнитного спектра, крайне чувствительны к движению некоторых молекул. Температуру этих частиц можно определить, если регистрировать характер их кинетического движения.
Микроволновые эхолоты работают в микроволновой области, и это их главное преимущество. В отличие от инфракрасных зондов, эти устройства могут «видеть» сквозь облака, то есть более точно описывать земную температуру. Объединяя инфракрасные и микроволновые устройства, ученые получают полную картину от поверхности до мезосферы.
Прогноз от ИИ
Одну из первых попыток решить метеорологические уравнения сделал английский физик и математик Льюис Фрай Ричардсон. Он разрабатывал метод решения дифференциальных уравнений с множеством переменных. Свои расчеты ученый опубликовал в 1922 году в статье «Предсказания погоды с помощью нумерических исчислений». Формулы Ричардсона были похожи на те, что метеорологи применяют сегодня, и легли в основу прогнозирующей программы для компьютера ЭНИАК — первого электронного числового вычислителя общего назначения.
Устройств для сбора данных о погоде предостаточно. И современные, и классические технологии ежедневно предоставляют людям миллионы байт информации о метеоусловиях. Но точность прогнозов зависит не только от полноты информации, но также от моделей уравнений и вычислительных мощностей суперкомпьютеров.
Современная технология искусственного интеллекта повышает точность и надежность прогнозов, заменяя человека на этапе компоновки данных и выведения закономерностей. Гипотезы, которые выдвигает ИИ, обширнее человеческих, а потому прогнозы оказываются детальными и проработанными.
Прогнозы, сделанные ИИ, бывают не только масштабными, но и локальными. Технологический гигант IBM разработал систему Deep Thunder, предоставляющую гиперлокальный прогноз на разрешение от 0,3 до 2 км.
Над улучшением российских прогнозов погоды работают в Яндексе. Технология Meteum работает по тому же принципу, что Deep Thunder. Сначала программа получает данные со спутников и наземных метеостанций. Прогнозы погоды создаются на основе одних и тех же данных, но конечные результаты могут быть разными.
Meteum сравнивает прогнозы и исходные показания, находит ошибки со статистическими закономерностями. Программа использует машинное обучение –– MetixNet. При составлении нового прогноза выявленные ошибки избегаются, а при конечном расчете учитываются координаты запрашивающего. Последние корректируют прогноз с учетом местности, высоты зданий и плотности застройки –– эти показатели тоже влияют на то, как пользователи будут ощущать погоду.
Исследователи атмосферы из Института Альфреда Вегенера и Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца (AWI) разработали климатическую модель, способную изобразить направление реактивного потока — основного воздушного потока над Северным полушарием, пишет Nature Scientific Reports.
Ученые объединили разработанную ранее климатическую модель с новым алгоритмом машинного обучения, созданного под задачи отображения химических процессов, связанных с озоновым слоем. Используя эту модель, авторы исследования могут показать, что волнообразное течение реактивного потока зимой и последующие экстремальные погодные условия — вспышки холодного воздуха в Центральной Европе и Северной Америке — являются прямым результатом изменения климата.
В течение многих лет исследователи климата по всему миру изучали вопрос о том, является ли направление воздушного потока над Cеверным полушарием, наблюдаемого с возрастающей частотой в последние годы, следствием изменения климата или случайным явлением, которое можно приурочить к естественным изменениям в климатической системе.
Термин «реактивный поток» относится к мощной полосе западных ветров над средними широтами, которые перемещают основные погодные системы с запада на восток. Эти ветры обвивают планету на высоте примерно 10 км. Они вызваны разностью температур в тропиках и Арктике и в прошлом часто достигали максимальной скорости до 500 км/час.
Но в наши дни, как подтверждают наблюдения, ветры все больше ослабевают. Они реже дуют по прямому курсу, параллельному экватору; вместо этого они несутся через северное полушарие массивными волнами. Зимой эти волны производят необычные вторжения холодного воздуха из Арктики в средние широты — как, например, экстремальный холод, поразивший Средний Запад США в конце января 2019 года. Летом ослабленный реактивный поток приводит к длительной жаре, как это было в Европе — например, в 2003, 2006, 2015 и 2018 годах.
Улучшение точности прогнозов с помощью ИИ не имело бы никакого смысла, если бы эти прогнозы не создавались суперкомпьютерами, выполняющими 5,78 квадрлн операций в секунду. С каждой новой операцией увеличивается и объем учитываемых данных.
Суперкомпьютеры изменили прогнозы погоды, потому что открыли «ансамблевое прогнозирование». Синоптик может выполнить несколько прогонов полученных моделей погоды по очереди и одновременно. Сравнивая результаты, исследователи выявляют более вероятные события: конкретный путь фронта, его ускорения или замедления.
Прогнозирование погоды XXI века стало точнее и доступнее. Развитие технологий позволяет внедрять разработки во все сферы исследований, и метеорология не исключение. Прогноз на день составлялся еще 10 лет назад, а сегодняшние суперкомпьютеры позволяют сделать это за 20 минут. И все-таки стоит выглядывать в окно, чтобы захватить зонт. Даже если в прогнозе солнце.