Вероятность ошибки прогноза погоды

Ругать погоду и синоптиков — это что-то вроде обязательной составляющей любой светской беседы. Странно, ведь качество прогнозов постоянно растет, а современная наука позволяет предсказывать погоду с точностью, близкой к 100% (по крайней мере, на несколько дней). Почему же тогда периодически прогнозы не сбываются и кто в этом виноват, — спросили об этом у Натальи Куксовой, руководителя умных городов Sciencely и метеоролога.

«Ошибки накапливаются и приводят к неточным прогнозам»

— Создается ощущение, что точность прогнозов погоды все еще остается на каком-то допотопно низком уровне. Расскажи, пожалуйста, в чем проблема?

— Возможно, это прозвучит странно, но точность прогнозов погоды за последние несколько десятков лет существенно выросла. Однако людям свойственно замечать именно ошибки синоптиков, в то время как на точный прогноз никто не обращает внимания. Поэтому и кажется, что прогнозы все время врут. Но что такое прогноз погоды?

Важно разделять понятия погоды и климата. Климат — это средние многолетние устоявшиеся значения, например, средняя температура в Москве в августе: +18 °C. Лето теплое, а зима холодная — это тоже климат. А когда мы говорим, что 22 декабря в 15:00 в Москве будет –15,3 °C — это погода, то есть конкретные значения в конкретное время. 

Как рождаются погодные прогнозы? Весь мир покрыт сетью метеостанций — всего их больше 10 тысяч. Плюс еще есть метеозонды в атмосфере, спутники в космосе, метеобуи в океане и так далее. Каждые три часа в одно и то же время они измеряют метеопараметры (температуру, влажность, скорость ветра и прочие параметры). Все это — гигантский объем данных, на основе которых и делается прогноз на будущее. Вот вам первый источник ошибок — эти измерения далеко не всегда идеальны. Например, у термометра обычно погрешность — 0,1 °C. Казалось бы, это очень малая величина, но когда мы рассматриваем сумму ошибок со многих метеостанций и высот за долгое время, они накапливаются и приводят к неточным прогнозам.

Второй источник ошибок — предел предсказуемости погоды. Он составляет около двух недель. На более отдаленный срок точно предсказать погоду практически невозможно. Поэтому, если вы видите в интернете прогнозы на месяц или даже два, это не имеет под собой никакого научного обоснования, и можно только догадываться, на основе чего они составлены: экстраполяции данных, вычисления средних многолетних значений или предсказаний шаманов. Почему именно две недели? Думаю, вы знаете про «эффект бабочки». По-научному это называется Аттрактор Лоренца: когда малые колебания системы на больших промежутках времени выливаются в большие отклонения. И чем больше времени проходит, тем сложнее эти отклонения предсказать.

Наталья Куксова, руководитель умных городов Sciencely и метеоролога.

— Но, тем не менее, на две недели синоптики в состоянии дать точный прогноз?

— Более или менее. Обычно точность прогноза на завтра — 95–98%, на послезавтра — 90–93%. И так далее — постепенно точность снижается. Но бывает и так, что даже завтрашний прогноз содержит в себе ошибки. Почему?

Представьте, что вы смотрите прогноз погоды на определенную точку местности в Подмосковье, потому что в этом месте у вас дача. Видите, что завтра будет +20 °C, переменная облачность, без осадков. Откуда взялась эта информация? Мы уже говорили, что синоптики собирают данные с метеостанций. Далее они запускают физико-математическую модель, которая на основе этих данных и уравнений термогидродинамики вычисляет прогноз погоды. Если модель хорошая, то прогноз будет достоверным. Однако есть две проблемы. Первая — это плотность сети метеостанций: далеко не везде она высокая, а значит, данных маловато и они будут как бы размазаны по большой территории. Второе — это нехватка мощностей суперкомпьютеров, которые обрабатывают эти данные и выдают прогноз. 

Прогноз, который мы видим, например, на сайте Гидрометцентра, — это не данные для определенной точки, а размазанный прогноз на ячейку — квадрат со стороной примерно в 7 км (это средняя цифра для Подмосковья). Но ведь метеорологические поля очень неоднородные. Давление и температура, допустим, вряд ли резко изменятся на расстоянии 7 км, но если посмотреть на карту осадков, она очень неоднородна. А ведь есть еще местные климатические особенности, например городские острова тепла (в городе всегда теплее, чем за его пределами, особенно зимой), особенности рельефа. Понятно, что на такой крупной территории со стороной в 7 км осадки могут в одном месте пройти, а в другом нет.

Идем дальше. Никто не отменял опасные погодные явления. Глобальное потепление — это не только сокращение численности белых медведей в Арктике, но и рост вероятности опасных погодных явлений, изменение их структуры и поведения. Такие процессы прогнозировать очень сложно.

— Есть ли какой-то предел точности модели? Какую вообще роль выполняет человек?

— Даже самая лучшая на сегодняшний день модель имеет целый ряд недостатков. Не буду объяснять весь механизм работы такой сложной системы, как физико-математическая метеорологическая модель. Приведу лишь такой пример. Если модели не хватает данных (а в сетке со стороной ячейки в 7–10 км ей не хватает данных всегда!), она начинает их экстраполировать на те участки, где существуют пробелы. Именно поэтому модели не способны точно фиксировать атмосферные фронты. Другими словами, фронты обычно рисуют люди. Поэтому в идеальной ситуации любой прогноз, нарисованный моделью, должен проверять человек, который на основе своего опыта корректирует прогноз. Это обязательно происходит в аэропортах, в крупных городах, а также при прогнозе опасных и катастрофических погодных явлений. Но если такой коррекции не происходит (или у синоптика мало опыта), то вполне может случиться, что прогноз не сбудется. Достаточно атмосферному фронту сместиться на пару десятков километров от «прогнозного» значения, и вместо обещанных +20 °C вы получите +12 °C, дождь и испорченное настроение из-за нарушенных планов собраться на пикник на свежем воздухе.

— Почему метеорологи иногда предсказывают погоду на несколько месяцев вперед и даже говорят, какие будут лето или зима?

— Самый сложный период для прогнозов: от 2 недель до нескольких месяцев. Тут вообще сложно понять, что происходит с атмосферой. Но, начиная с одного месяца, мы рассчитываем так называемый долгосрочный (или сезонный) прогноз. Он основан на учете различных циклов, характерных не только для климатической системы, но и в целом для всей планеты. Например, учитывается действие Эль-Ниньо — климатического колебания в Тихом океане с периодом около 2–4 лет, которое влияет и на другие регионы Земли. В целом, учитываются все возможные циклы: биологические, космические и т.д.

«Единственный, кто официально несет ответственность за качество прогноза, — это Гидрометцентр»

— В России есть несколько сервисов прогнозов погоды. Откуда они берут информацию?

— В нашей стране есть только одна организация, которая официально может собирать данные с метеостанций в регионах, — это Росгидромет. Его подразделения самостоятельно обрабатывают эти данные и дают прогноз погоды. Но, кроме того, отправляют данные во Всемирную метеорологическую организацию, а также предоставляют другим компаниям, которые затем могут использовать свои (или чужие) модели для обработки этих данных и предсказания погоды. 

— Посоветуй, как правильно читать прогнозы и где это лучше делать?

— Единственный, кто официально несет ответственность за качество прогноза, — это Гидрометцентр (сайт meteoinfo.ru). Все машинные прогнозы обязательно дополнительно корректируются синоптиком, поэтому можно ожидать относительно высокую точность прогнозов.

Загляните также на windy.com — это красивая интерактивная карта температуры, осадков, скорости ветра, облачности и других параметров, которые постоянно обновляются. Есть также карта текущей погоды для Москвы и области, созданная нашими учеными (http://carto.geogr.msu.ru/mosclim/), она прекрасно иллюстрирует то, как резко могут меняться метеопараметры в крупном городе по сравнению с пригородом.

Если вы путешествуете и хотите посмотреть прогноз погоды в другой стране, лучше это сделать на сайте местной метеослужбы: обычно они используют локальные модели, которые могут обсчитывать более подробные «местные» данные (глобальные модели оперируют куда менее подробными сводками).

Когда вы планируете что-то важное на природе, смотрите прогноз и принимайте решение как можно ближе к событию (лучше всего за три дня или позднее) и во второй половине дня. Помните, что прогноз на день и ночь, если он не почасовой, — это минимальная и максимальная ожидаемая температура воздуха. А минимальной она бывает чаще всего прямо перед рассветом. Поэтому если выходите с утра на работу затемно, ориентируйтесь именно на ночные температуры. 

Читать далее:

Ядро Земли скоро будет вращаться в другом направлении

Посмотрите на водородную суперяхту, «летающую» над водой со скоростью 75 узлов

Млечный Путь оказался аномально большим для своей галактической нити

— Краткосрочные прогнозы на завтра сбываются на 92–95 процентов, на ближайшие пять-шесть дней — 83–85 процентов достоверности, дальше качество падает. Сезонные предсказания даются в усредненном виде. Заблаговременные прогнозы — дело ненадежное, вы как-то сами назвали цифру: 30 процентов изменчивости погоды непредсказуемы…

— Все-таки правильнее сказать 30–40 процентов. Допустим, вы четко знаете, что будете делать сегодня, завтра, в течение следующей недели, но что произойдет через два месяца? Это зависит от разных обстоятельств: степени локдауна и даже неожиданного приезда родственника из другого города, потому что придется срочно менять планы. Так вот, в атмосфере точно такая же ситуация. В 1961 году метеоролог и математик Эдвард Лоренц доказал, что прогнозировать погоду по дням в деталях можно математически, и обосновывал принципиальную невозможность прогноза погоды далее, чем на 2–3 недели вперед.

Как бы мы ни изучали атмосферные процессы, какие законы бы ни открывали, через 100 тысяч лет корреспондент «Московского комсомольца» обратится к будущему научному руководителю Гидрометцентра и получит прогноз не дольше, чем на две недели. Сейчас практическая предсказуемость составляет 6–7 дней. Вы меня спросите, какая погода ожидает нас в январе: около нормы, выше или ниже? Ответ: за пределами современных знаний. Будет ли какая-то пятидневка наиболее снежной? За пределами знаний. Если вы услышите от кого-либо из моих «коллег» предсказания о том, какой будет новогодняя ночь, не верьте!

— Метеослужбы оснащены суперсовременной техникой, а прогнозы на будущее все так же смутны. Как это можно объяснить?

— Атмосферной неустойчивостью. Эдварду Лоренцу мы обязаны термином «закон бабочки». Если в условиях неустойчивости бабочка взмахнет крыльями в одном штате США, то через три дня в другой штат вместо ожидаемого циклона придет антициклон. А если взмахнет в другом месте, то ничего не произойдет. Но можно ли спрогнозировать, где произойдет этот взмах крылышками? Есть детерминированные процессы, которые можно описывать, а есть хаотическая составляющая, которая непредсказуема теоретически. Именно поэтому в большинстве развитых стран прогнозы даже на ближайшие дни выпускаются только в вероятностном виде. Если в атмосфере есть хаотичность, это значит, что даже на ближайший час абсолютно точный прогноз невозможен.

— Тем не менее вам задают вопрос, какой будет зима и каким будет лето!

— Как же я не люблю эти вопросы, потому что все люди хотят определенности, которой не существует. Астрономия — несколько другая наука, многие расчеты в ней базируются на кеплеровских законах движения планет, поэтому с большой точностью можно прогнозировать положение небесного тела через 10 лет, а атмосфера — газовая среда, где все хаотично. Немецкий ученый Вернер Гейзенберг, нобелевский лауреат, вывел квантовое соотношение неопределенностей. Мы не можем знать одновременно с хорошей точностью импульс и положение любой частицы. Если мы точно измерим импульс частицы, то потеряем информацию о ее координатах. Чем больше знаете об одном, тем меньше о другом.

Этот принцип существует не только в квантовой механике. А люди, особенно администраторы, терпеть не могут эту неопределенность. Правильный подход — вероятностный. С вероятностью 55 процентов лето будет теплое, выше нормы, 30 процентов — около нормы, 15 процентов — холодное. Именно так и нужно формулировать. Те люди, которые используют эти данные для принятия решений, и должны находить оптимальные варианты. Ведь атмосфера сама точно не знает в деталях, что будет с ней через два дня.

— В общем, даже суперкомпьютер здесь бессилен…

— Прогноз погоды — это физико-математическая задача. Все процессы в атмосфере описываются сложными уравнениями, но не имеют точного решения. Когда впервые английский математик Льюис Фрай Ричардсон попытался решить простенькую задачку по прогнозированию, оказалось, что для учета всех данных нужно 60 тысяч человек, но появление компьютера в середине прошлого века позволило решить уравнение вихря, и это дало толчок к современной прогностической метеорологии.

Для того чтобы все более точно решать уравнения и использовать физически значимые величины, нужен суперкомпьютер. Допустим, вы синоптик. Чтобы расчеты пришли, к примеру, в 7 часов 15 минут, придется исключать некоторые значимые факторы, однако суперкомпьютеры позволяют их учитывать. Например, в 1978 году в Гидрометцентре был установлен компьютер БЭСМ-6. Он производил 1 миллион операций в секунду — по тем временам фантастическая скорость.

— А как это повлияло на точность прогнозов?

— Когда задачу чуть-чуть усложнили, прогноз стал более точным, но прогноз на завтра решали 5 дней. Чем мощнее ресурсы суперкомпьютера, тем точнее прогноз погоды. А сейчас быстродействие суперкомпьютера, установленного в Росгидромете, 10 в 15-й степени операций в секунду — миллион миллиардов! Точность прогноза сейчас на четвертые-пятые сутки такая же, как 45 лет тому назад на первые сутки! Но, какими бы ни были суперкомпьютеры, они не могут преодолеть неопределенность.

— Люди уже научились в какой-то степени влиять на процессы выпадения осадков. Перед военным парадом на Красной площади не раз разгоняли облака. Но бывают природные явления из разряда «ничто не предвещало». Помните, какой ливень обрушился на Лужники во время награждения на ЧМ по футболу 15 июля 2018 года? Знакомый фотограф рассказывал, что вымок буквально до трусов. Досталось президентам Хорватии и Франции, только над Путиным успели раскрыть зонт. Я нашла прогнозы погоды на тот день. Один предсказывал переменную облачность, кратковременный дождь и до +33 градусов тепла, другой предупреждал о частичной облачности и вероятности грозового дождя.

— Росгидромет выпускал прогноз специально для чемпионата мира. Осадки прогнозировались, в том числе интенсивные, но не было с точностью до часа указано время. К большому счастью, макромасштабное воздействие на атмосферу оказывать невозможно. Циклон, сформировавшийся на волне фронта, обладает колоссальной энергией. Энергия одного небольшого циклона превышает энергию десяти атомных бомб, каждая из которых идентична сброшенной на Хиросиму. Таких циклонов на земном шаре за сутки — несколько десятков.

Есть очень небольшой спектр явлений, на которые можно влиять. Это осадки в отдельных случаях и холодные туманы на ограниченной территории. Облака, как известно, образуются в результате подъема теплого воздуха и конденсации водяного пара. Разрушить можно только отдельные виды облачных скоплений. Их «засевают» из самолетов солью, цементом или йодистым серебром, то есть создают ядра конденсации, вокруг которых аккумулируется водяной пар, постепенно превращаясь в тяжелые капли, выпадающие на землю в виде дождя. Но если идет перемещение хорошо выраженного теплого фронта, то можно привлечь весь военно-воздушный флот и всю гражданскую авиацию — ничего не поможет.

Кроме того, существуют процессы, которые точно предсказать невозможно. В лучшем случае, за час, но уже не будет времени на воздействие. Конвективные взрывные процессы, когда воздушные массы перемещаются по вертикали, формируются в течение нескольких десятков минут.

— В последнее время нам обещали такие страшные аномалии, как барическая пила, ультраполярное вторжение, климатический зуб, вишневая зима и т.д. Кто-то очень креативный появился в Гидрометцентре?

— В Гидрометцентре, к счастью, таких «мудрецов» нет. Из всего, что вы назвали, существует только термин «ультраполярное вторжение», кстати, неправильно употребляемый. А все остальное… Огромная проблема заключается в том, что все эти термины изобретаются не в гидрометслужбе, где работают профессиональные метеорологи, дорожащие своей репутацией, а в коммерческих структурах. Для чего это делается? Чтобы привлечь внимание, а СМИ все это охотно тиражируют. Придумали барическую пилу! Просто атмосфера так устроена, что происходит перемещение барических образований, и постоянно идет изменение давления. А если бы я сказал о психрометрической пиле? Звучит устрашающе.

Между тем психрометрия — наука об измерении влажности. В течение дня влажность постоянно меняется. На графике это действительно похоже на зубья пилы. Сколько раз вы слышали о метеорологическом апокалипсисе, Армагеддоне? Другое дело — ирония, юмор. Если температура чуть выше нормы, на картах она изображается розовым цветом, если намного выше — ярко-красным. Помню вполне симпатичный заголовок: «Синоптики видят лето в розовом цвете!»

— Как вы относитесь к крестьянским прогнозам? Их достоверность оценивается в 70 процентов, потому что они, как правило, основаны на наблюдениях.

— В науке все должно проверяться и доказываться. Есть пара примеров, которые физически обоснованы. Бледное солнце — к скорому изменению погоды, низкий полет ласточек — к дождю. Но никакие приметы не сопоставимы с точностью современных прогнозов.

— А затишье перед бурей?

— Бывает — перед бурей, бывает просто затишье. Мы обращаем внимание на факты, которые вызывают удивление, ужас. Помните антициклон в 2010 году, который столько бед наделал? Леса горели, торфяники. В это время было затишье — 52 дня ни дуновения. Да, когда подходит фронтальный раздел, есть зона, когда все тихо в течение десятка минут, а затем разразится гроза. Так что всякое бывает.

— Если солнце садится в тучку, разве это не к ненастью?

— Нет. К слову, все долгосрочные прогнозы мы изучали и проверяли по годам наблюдений. Так вот, красная рябина не предвещает суровую зиму. Жаркое лето — не гарантия холодной зимы, а за сухой весной не обязательно последует дождливое лето.

— Сельские жители давно заметили, что сильная роса на траве к солнечному дню.

— Да, но при безоблачном небе. Есть понятие — длинноволновое излучение земли. При отсутствии облаков земля отдает свое тепло и, естественно, охлаждается. В утренние часы происходит конденсация водяных паров, выпадает роса. По этой картине можно предполагать, что и днем будет малооблачно.

— Еще одна народная примета — ореол вечером вокруг луны обещает туман. Наверное, это явление можно объяснить?

— Ореол связан с тем, что в высоких слоях атмосферы появляются кристаллики водяного пара. Обычно начиная с семи километров атмосфера свободна от водяного пара, но когда идет фронтальный раздел или циклон, формируются перистые облака. Наличие лунного и даже солнечного гало говорит о том, что появились перистые облака — предвестники фронтального раздела у поверхности земли. Фронт идет не перпендикулярно, а под углом.

Скажу попутно, что именно метеоролог Иван Клемин по лунному гало смог достаточно точно спрогнозировать приближение фронтального раздела 7 ноября 1941 года, что предвещало ненастную погоду. Поэтому можно было провести парад на Красной площади, не опасаясь вражеского налета. Небо было закрыто облаками.

— Мир давно обсуждает проблему глобального потепления. По расчетам и оценкам, температура может увеличиться от 2,8 градуса до 7 градусов тепла. Последствия такого потепления драматичны. Начнут таять ледники, повысится уровень Мирового океана, произойдет затопление песчаных пляжей, а возможно, и земель, лежащих ниже уровня моря. Исчезнут многие промышленные производства, которые базируются именно на побережьях. Сдвинется линия вечной мерзлоты, и многие города, построенные за Полярным кругом, не смогут существовать. Эти факторы уже просчитаны на моделях. На сколько градусов теплее стало за последние 20 лет?

— В разных регионах по-разному. В умеренных широтах европейской и азиатской части нашей страны скорость потепления составляет примерно 0,4 градуса за 10 лет. За последние 50 лет это 1,5–2 градуса. Зимой процесс потепления идет быстрее, летом — медленнее.

— Американские исследователи обнаружили, что если температура повысится всего на два градуса, то в ряде регионов США начнут бешено расти популяции различных насекомых, повысится вероятность опасных болезней, «проснутся» страшные вирусы, активизируются бактерии. И тогда на передний край выйдут медико-биологические проблемы. Может быть, здесь кроется одна из причин пандемии?

— Разве было в Москве раньше такое количество клещей? За 45 лет произошло ускорение потепления. На юге европейской территории страны климат стал более засушливым. А в южных регионах Северного полушария, где самая большая плотность населения, ускорится процесс опустынивания. На моей памяти впервые страны с различным укладом на климатическом саммите пришли к единой точке зрения, что необходимо воспрепятствовать такому резкому потеплению. Этому предшествовали научные исследования. В метеорологии увеличивается количество опасных явлений, особенно это касается волн жары летом, по этой причине увеличивается количество летальных эпизодов.

— Все наблюдали необычную картину, когда в одном районе Москвы хлещет дождь, а в другом — сухо. То же самое происходит и в сельской местности.

— Существует локальная и очень интенсивная конвекция водяных паров, облака растут до высоты 10–11 километров, покрываются ледяной шапкой — это создает условия для очень интенсивных осадков, шквалов, а масштаб этих явлений около 5–10 км. Мой коллега показывал примеры 29 мая 2017 года, когда шквал прошел через Москву, и погибли 18 человек, у него на даче ни один цветочек не шелохнулся, а рядом, через 70–80 метров, два дерева рухнули на дом его соседа. Это локальность взрывных конвективных процессов.

Масштаб смерча в ширину — сотня метров, а в длину — тысяча метров. После шквала лесники приглашают метеорологов, чтобы по опосредованным характеристикам — по вывороченным с корнями елям — определить силу ветра. Это — полоса, а рядом — будто ничего и не было.

— Несмотря на пандемию, люди все-таки путешествуют. И всех, конечно, очень волнует погода. Где смотреть самый точный прогноз?

— Есть примерно десяток ведущих служб, в том числе Росгидромет, которые прогнозируют погоду по всему миру. Но уже давным-давно эксперты Всемирной метеорологической организации проанализировали точность всех существующих прогнозов и сделали вывод, что наиболее четкие прогнозы по стране выпускает национальная служба именно этой страны.

Синоптики разрабатывают свои метеопрогнозы, но одновременно они получают всю информацию со всего земного шара и знают, с какой степенью доверия относиться к этим прогнозам. Создан сайт WWIS (World Weather Information Service), который находится на территории Гонконга, куда все национальные службы предоставляют прогноз по своей территории. Там-то и нужно смотреть. Если вы собираетесь в Южную Африку — вам нужны южно-африканские прогнозы, едете в Китай — китайские.

Откуда возникают ошибки прогнозов?

В СМИ часто звучит фраза «Синоптики обещают …». Это не совсем верно — не «обещают», а прогнозируют. «Обещать» здесь было бы самонадеянно, потому что прогноз погоды имеет дело с вероятностными процессами, которым неизбежно присуща та или иная степень неопределенности.

За последние десятилетия мировое метеорологическое сообщество достигло значительных успехов в развитии технологий численного прогноза погоды. Сегодня, например, прогнозы на трое суток для приземного давления настолько же успешны, как прогнозы на сутки 20 лет назад.

Тем не менее, полностью избавиться от ошибок в прогнозах погоды невозможно. Почему?

Причин тому несколько:

1) Неполнота и неточность наших знаний о текущем состоянии атмосферы

Чтобы прогнозировать погоду надо, прежде всего, знать, что происходит в атмосфере сейчас, в начальный момент времени. Данные гидрометеорологических наблюдений — «сырье» для расчета прогноза погоды. Чтобы подготовить прогноз на пару дней вперед, надо иметь данные о фактической погоде на территории с масштабами нескольких тысяч километров. А прогноз на неделю и далее требует уже информации о том, что происходит с погодой на всем земном шаре. При долгосрочном прогнозе приходится рассматривать практически всю климатическую систему, в которую входят атмосфера, океан и верхний слой суши.

Текущее состояние атмосферы мы всегда знаем лишь приближенно, так как наши наблюдения за атмосферой являются неполными и неточными – наблюдательная сеть достаточно редка и данные наблюдений содержат ошибки. Обширные области планеты (океаны, высокие и тропические широты) остаются слабо освещенными данными наблюдений. На территории нашей страны плотность и оснащенность наблюдательной сети также оставляют желать лучшего. Можно повышать плотность сети и уменьшать погрешности измерений, но не бесконечно — возможности такой детализации ограничены, поэтому наше знание текущего состояния атмосферы никогда не будет полным.

2) Несовершенство используемых прогностических методов и моделей

Основным прогностическим инструментом сегодня становятся численные модели атмосферы – они успешно воспроизводят многие свойства атмосферы и становятся все более совершенными. Что из себя представляет современная прогностическая модель атмосферы? — Это сложный программный комплекс (трудозатраты на разработку составляют сотни человеко-лет), который решает систему уравнений, описывающую эволюцию атмосферы, т.е. рассчитывает температуру, влажность, ветер и другие параметры на разных высотах в различных точках земного шара. В модели учитываются процессы термогидродинамики, преобразований влаги, радиационно-облачные взаимодействия, сложные процессы в пограничном слое атмосферы и на границе с ее подстилающей поверхностью и т.д. Некоторые физические процессы в моделях не учитываются сознательно из-за того, что они меньше влияют на успешность прогноза. Другие огрубляются, т.к. их расчет требует больших вычислительных ресурсов (расчет прогнозов погоды – одна из самых «жадных» до компьютерных ресурсов задач, решаемых сегодня учеными). О третьих мы пока мало знаем.. Среди влияющих факторов можно выделить более и менее важные, но, в конечном счете, учет множества «мелочей» рождает новое качество прогнозов.

На сегодняшний день автоматизированные прогностические технологии не способны прогнозировать некоторые погодные явления. Это связано с тем, что многие явления погоды, включая опасные явления, имеют локальный характер и сложную природу образования, которую в настоящее время затруднительно описать формально для полной автоматизации прогноза с приемлемым уровнем успешности. По этой причине целый ряд явлений погоды (например, туманы, гололед и др.) прогнозируются в основном специалистами-синоптиками на местах, которые хорошо знают условия их образования и развития в конкретном регионе. Результаты модельных расчетов синоптики используют как основу для составления окончательных, «официальных» прогнозов погоды, предполагающих синтез опыта специалистов-прогнозистов и результатов различных прогностических технологий.

3) Проблема предсказуемости

Проблема предсказуемости стала осознаваться уже после первых численных экспериментов по моделированию эволюции атмосферы на долгие сроки. Еще в 50-х годах было показано, что сколь угодно малые ошибки задания начальных данных для расчета прогноза с течением времени трансформируются в большие. За пределами примерно двух недель ошибки детализированного по дням модельного прогноза вырастают до уровня ошибок случайного прогноза. Так проявляются объективные (т.е. непреодолимые при любой квалификации прогнозистов) ограничения на возможность точно прогнозировать конкретный ход эволюции атмосферных процессов на достаточно длительных интервалах времени. Ограничение связано с тем, что начальные условия для расчета прогноза всегда содержат погрешности и начальные ошибки имеют тенденцию расти в течение периода прогноза из-за неустойчивости атмосферных процессов («эффект бабочки»). Практическая предсказуемость атмосферы зависит от целого ряда факторов, в том числе и от структуры атмосферных течений (т.е. от текущей погодной ситуации) – в некоторых случаях развитие погодных процессов хорошо «просматривается» на несколько суток вперед, а бывает, что и прогноз на завтра оказывается очень ненадежным.

Все это не означает, что мы ничего не можем сказать о будущем атмосферы за пределами пары недель. Можем, но прогнозы на долгие сроки формулируются в другой форме и требования к ним иные — как правило для долгосрочных прогнозов используются вероятностная формулировка и представление результатов в терминах средних за период (например, месяц или сезон) величин. Формально ничего не стоит детализировать, например, прогноз на несколько недель вперед по суткам или даже по минутам, но эта «точность» будет дутой, т.е. необеспеченной реальными возможностями современных прогностических технологий.

= = = = = = = =

Что будет дальше? — Качество прогнозов постепенно будет расти, будет расширяться период полезного прогноза, но ни у нас в стране, ни в других странах, ни через десять, ни через сто лет оно не будет идеальным — просто потому что возможности и знания человека ограничены. Так что метеорологам всегда будет к чему стремиться. Это напоминает старинную загадку о том, можно ли пройти путь между двумя точками, если сначала преодолеть половину назначенного расстояния, потом половину от оставшегося отрезка, потом еще половину и т.д. Ответ понятен: нельзя, можно лишь постепенно приближаться к цели.

Что такое прогнозирование погоды

Прогноз погоды — научно обоснованное предположение о том, какая погода будет в определенное время в определенном месте. Наука о погоде и методах ее предсказания называется синоптической метеорологией. Она является частью метеорологии — науки, изучающей атмосферу Земли и происходящих в ней явлениях. Специалистов, которые составляют прогнозы, называют синоптиками.

Прогнозы погоды можно условно разделить:

• по срокам (сверхкраткосрочные, краткосрочные, среднесрочные и другие);
• по охвату территории: местные, региональные, страновые, мировые (глобальные);
• по назначению: общего пользования, авиационные, морские, речные и сельскохозяйственные.

Прогноз погоды могут делать с помощью:

• анализа синоптической карты погоды — географической карты, на которой в виде цифр и символов изображены результаты наблюдений метеорологических станций в определенные моменты времени;
• численных методов прогноза погоды — компьютерной математической модели атмосферы, которая построена на базе системы уравнений гидродинамики и текущих данных погоды;
• статистических методов — сбора статистических метеоданных, исходя из предположения, что в будущем погода повторится. Этот метод дополняет численный.

Сегодня почти во всех странах существуют региональные национальные метеослужбы. Гидрометцентр для России, Метеофранс для Франции, Оффенбах для Германии и т. д. Туда стекаются метеоданные о текущем состоянии атмосферы для дальнейших расчетов прогнозов погоды. Все национальные метеослужбы обмениваются информацией со Всемирной метеорологической организацией (ВМО), членами которого являются 193 государства и 6 территорий.

Откуда синоптики берут данные

Чтобы предсказать погоду, нужно знать «текущие условия» — то есть то, какая она сейчас. К основным параметрам относятся: температура, атмосферное давление, влажность, скорость и направление ветра, осадки и их количество.

Современный прогноз погоды основывается в первую очередь на данных спутников, а метеостанции, зонды и радары корректируют и непрерывно дополняют их. Вместе все эти источники создают полноценную картину происходящего в атмосфере.

Метеостанции

Метеостанции — специальные площадки, где непрерывно проводятся метеорологические измерения погоды и климата. На станциях установлены приборы для метеоизмерений: термометр, гигрометр, барометр, осадкомер и другие устройства. Они одинаковы по всему миру. Для точности метеорологи производят замеры регулярно и синхронно — через каждые 3 часа.

Наземные метеостанции бывают разные: огромные мачты в полях, плавающие буйки в море, шарообразные радары. Часть станций расположена в виде автономных устройств в труднодоступных местах, таких как горы и моря.

У метеостанций есть недостатки: они собирают данные только возле себя, расположены далеко друг от друга и не знают количество осадков.

Метеозонды

Метеозонды — беспилотные аэростаты. Зонд выглядит как наполненный гелием резиновый или пластиковый шар, к которому крепится контейнер с аппаратурой — датчиками для измерения температуры, влажности и атмосферного давления, а также батарейки и антенны, с помощью которой эти данные передаются.

Весит один метеозонд примерно 300 граммов и поднимается на высоту 30–40 километров. Зонды одноразовые: набирая высоту, шар лопается от избыточного давления. Пенопластовый контейнер падает на землю, и повторно не используется.

Метеозонды запускают в 870 точках Земли два раза в день, обычно в 00 и 12 часов по UTC.

Метеорологические радары

Метеорологические радары — специализированные радары для определения координат выпадения осадков, их типа, направления движения и интенсивности. Они обнаруживают опасные метеоусловия, такие как гроза, град, а также зоны интенсивных осадков и турбулентности.

Появление таких радаров связано со Второй мировой войной: радисты заметили «шум», который возникал на приборах во время осадков. Исследование этого явления привело к созданию специализированных погодных радаров, предназначенных для нужд метеорологии.

Современные радары каждые 10 минут делают трехмерный снимок атмосферы в радиусе 200–250 километров вокруг себя. Это позволяет описать погоду вплоть до микрорайона. Но для точного глобального прогноза их должно быть много. Здесь возникает проблема: так, российские радары расположены только в европейской части страны, а также Новосибирске, Барабинске и Владивостоке. Другая проблема — зона видимости радаров. Высотные здания могут загораживать обзор, создавая слепые зоны, а низкие осадки оказываются невидимы из-за кривизны планеты.

Метеоспутники

Метеоспутники — искусственные спутники Земли, их используют для просмотра и сбора данных о погоде и климате планеты. Они позволяют наблюдать за погодой на больших территориях, подобно тому, как вид с крыши или вершины горы дает более широкий обзор.

Метеоспутники определяют зоны интенсивных осадков и опасных явлений природы. Спутники отслеживают выбросы от вулканов и дым от лесных пожаров, последствия загрязнений, песчаные и пыльные бури, а также границы океанских течений.

Суперкомпьютеры

Весь поток погодных данных от метеостанций, зондов, радаров, спутников, датчиков на самолетах и кораблях поступает в центры обработки метеорологической информации — они есть в каждой национальной метеослужбе. Такие центры оснащены суперкомпьютерами. Менее мощные машины были бы не способны обработать такое количество данных в приемлемый срок.

Так, в Великобритании погоду предсказывает Cray XC40, который занимает 11-е место в списке мощнейших суперкомпьютеров мира с производительностью в 7 петафлопс (семь тысяч триллионов операций в секунду). Такая машина может спрогнозировать начало дождя вплоть до минуты. Главный суперкомпьютер российской гидрометеослужбы уступает британскому, его мощность 1,2 петафлопса.

Полученные результаты синоптики анализируют и составляют окончательный прогноз. Машина считает конкретные характеристики, а обобщить их может только человек. Синоптики делают прогнозы там, где есть ответственность и где технологии не способны предсказать некоторые погодные явления на местности, такие как туман и гололед.

Как сегодня составляют прогноз погоды: модели прогнозирования

Синоптики выделяют два основных типа моделей: глобальные и локальные.

Глобальные модели

Эти модели обсчитывают всю атмосферу Земли или полушария. Учитывают обширные погодные системы, которые могут простираться по всему континенту — холодные фронты и сильные штормы.

Существует несколько глобальных моделей: американская модель (GFS), европейская модель (ECMWF), немецкая (ICON), английская (UKMet), канадская (СМС), японская (JMA), русская (ПАЛВ) и другие. Синоптики используют в основном американскую и европейскую.

• Американская модель (GFS). Создана Национальной метеорологической службой США. Она запускается четыре раза в день: в 00, 6, 12 и 18 часов по UTC. Результаты публикует спустя 3,5 часа. Выдает прогнозы на 16 дней вперед.

  Доступ к данным модели бесплатный. Любой может скачать их на официальном сайте. Популярный сайт Windguru отображает результаты именно по американской модели.

  Вычислительная мощность американской модели выросла в десять раз за последние четыре года, и теперь модель способна проводить восемь квадриллионов вычислений в секунду.

• Европейская модель (ECMWF). Названа в честь операционного агентства в Европе в результате партнерства между 34 различными странами. Она делает прогнозы на 10 дней вперед. Запускается два раза в день: в 00 и 12 часов по UTC. Из-за сложности считает прогноз целых 6 часов.

  Доступ к данным платный. Результаты отображаются на сайте Foreca. «Гисметео», Yahoo, «Яндекс» и другие популярные ресурсы берут данные именно с него.

  Европейская модель в среднем более мощная в вычислительном отношении, а американская иногда дает более точные прогнозы.

Локальные модели

Глобальные модели хороши и полезны, но часто на небольшом квадрате невозможно адекватно предсказать погоду из-за гор, водоемов или снежных покровов, которые влияют на изменение погодных данных. Тогда выручают локальные модели — они с высокой точностью моделируют отдельную область, страну или город.

Самая популярная среди локальных моделей — модель WRF (Weather Research and Forecasting). Она открыта — любой может скачать ее на GitHub и запустить. Применима для всех стран мира и может учитывать местную географию и топографию.

Ансамблевые прогнозы

Все математические модели прогнозирования погоды имеют ограниченные возможности. Они не могут рассчитать метеорологические параметры в абсолютно каждой точке пространства в абсолютно каждый момент времени. Такие физические процессы, как туманы и гололед, в силу локальности и сложности природы, затруднительно описать с помощью математики. Вдобавок заданные параметры о текущем состоянии погоды не могут быть абсолютно точными.

Поэтому появились современные методы прогнозирования — «ансамблевые». Расчет прогноза запускается не один, а несколько раз, со слегка разными входными данными.

Ансамблевые прогнозы позволяют рассчитать вероятность явления. Например, вероятность осадков составляет 80%. Это значит, что из 50 членов ансамбля 40 (абсолютное большинство) прогнозируют дождь. Вместе с тем, есть 10 членов, которые исключают осадки.

Прогноз погоды от нейросети

С расцветом нейросетей их стали активно применять в прогнозировании погоды. Основной плюс — не нужно решать сложные физические уравнения и хранить огромные объемы информации. Вы собираете некоторый архив данных, а затем нейросеть самостоятельно анализирует его и выделяет закономерности.

Алгоритмы машинного обучения применяет, например, «Яндекс.Погода», используя систему Meteum. Нейросеть берет прогнозы, рассчитанные американской, канадской, японской и европейской моделями, и считает свой по модели WRF. Эти прогнозы сверяются с реальными наблюдениями в нескольких точках города, собранных по метеостанциям и спутникам. Потом она находит повторяющиеся закономерности и выдает прогноз «с точностью до дома».

Почему разные приложения дают разные прогнозы

Это происходит потому, что провайдеры используют разные алгоритмы, основанные на разных моделях прогнозов с разным уровнем детализации. Кто-то просто «штампует» прогнозы моделей, не делая поправку на реальную погоду. Другие нанимают синоптиков для наблюдений и исправлений ошибок.

Большинство популярных сайтов с прогнозами в интернете, отображают данные либо из американской GFS, либо из европейской ECMWF. Национальные метеослужбы делают прогнозы по собственным локальным моделям. Поэтому прогнозы погоды на Гисметео будет отличаться от Росгидромета.

Почему синоптики ошибаются

Точность краткосрочных прогнозов равна 95%. Прогнозы на пятые сутки имеют успешность на 80%, на 10 и более дней — только в половине случаев.

На точность прогнозов влияет множество факторов: количество и качество собираемых данных, способы их сбора и обработки, компьютерные ошибки и тот простой факт, что атмосфера Земли хаотична и ее очень трудно предсказать.

Ниже — основные причины, по которым погода не соответствует предсказаниям.

Неполнота наблюдений

Для идеального прогноза погоды необходимо точно знать текущие данные о фактической погоде на территории в несколько тысяч километров. Прогноз больше, чем на неделю, требует информации о том, что происходит с погодой на всем земном шаре.

На сегодня текущее состояние атмосферы известно приближенно, поскольку многие области планеты наблюдаются приборами слабо — океаны, тропики, пустыни, горы.

Как правило, метеостанций в городах значительно больше, чем в менее населенных районах. Среднее расстояние между метеостанциями на европейской территории России — 150 километров, в Сибири ― 300, на арктическом побережье еще больше. Данные в районах, где нет станций, восстанавливаются при помощи нахождения промежуточного значения, то есть приближенно. За счет этого возникают ошибки. Увеличивать плотность сети глобального наблюдения можно, но не бесконечно, поэтому данные никогда не станут полными.

Атмосфера хаотична

Синоптики пытаются предсказать то, что по своей природе непредсказуемо. Атмосфера представляет собой хаотичную систему: небольшое изменение состояния атмосферы в одном месте может иметь значительные последствия в другом — так проявляется «эффект бабочки». Любая ошибка, которая возникает в прогнозе, будет быстро увеличиваться и вызывать дальнейшие, но уже в большем масштабе.

Несовершенство моделей

Еще одна причина ошибок — несовершенство используемых прогностических моделей и методов. Некоторые погодные явления, такие как туманы и гололед, в моделях сознательно не учтены или упрощены, поскольку даже современные суперкомпьютеры не могут быстро их просчитать.

Несмотря на все технологические достижения, суперкомпьютеры не всегда точны. Хаотическая природа погоды означает, что до тех пор, пока синоптикам приходится делать предположения о процессах, происходящих в атмосфере, у любого компьютера всегда будет шанс ошибиться, независимо от того, насколько он мощный и быстрый.

Исследователи из Университета Пенсильвании нашли предел точности прогнозов погоды. Они обнаружили, что даже уменьшив первоначальные ошибки, лучшее, чего можно добиться, — это прогноз примерно на 15 дней вперед. И это если погода «установится».