Как делается прогноз погоды и можно ли его улучшить?
Вы ни при каких обстоятельствах не ругали метеорологов за ошибочные прогнозы? А вот генеральная прокуратура не ругает, а требует от Росгидромета улучшить точность прогнозов погоды.
Оценим совместно, как это по большому счету вероятно.
© NOAA
Сперва наблюдение
Прогнозирование погоды начинается с наблюдения за текущим состоянием воздуха. Зная ее текущее состояние, синоптики смогут после этого прогнозировать грядущие трансформации погоды в ближайшее время либо семь дней.
«Мы живем в воздушном океане, все трансформации погоды зависят от солнечного излучения. Состояние воздушного океана скорее говорит о будущей погоде, чем о погоде на данный момент», — писал во введении к собственной «Книге о погоде» Роберт Фицрой — руководитель и основатель Английского метеорологического департамента, будущего Met Office.
Первый в истории прогноз погоды, размещённый в печати, был составлен как раз Робертом Фицроем. Он был размещён в британской газете Times 1 августа 1861 года.
По одной из предположений, как раз неточность составляемых им прогнозов и стала обстоятельством его необязательного ухода из судьбы.
Бессчётные погодные датчики, размещенные на поверхности Почвы и над ней, в море и на орбите, измеряют множество погодных параметров, каковые оказывают помощь максимально нарисовать самая полную картину погоды на отечественной планете. Сбор погодной информации ведется метеорологическими организациями по всему земному шару, а после этого национальные метеослужбы обмениваются ею со собственными сотрудниками в других государствах.
К главным погодным параметрам относятся: температура, давление, влажность, направление и скорость ветра, их количество и осадки. Для их измерения на суше действует сеть метеостанций.
В Российской Федерации таких метеостанций 1670, в то время как, к примеру, в Китае их более 53 тысяч. Они смогут обслуживаться как экспертами-метеорологами, так и быть всецело автоматизированными.
В Соединенных Штатах, например, действует сеть автоматизированных совокупностей наблюдений (ASOS) за поверхностью. Такие метеостанции установлены в более чем 900 аэропортах по всей стране, где они собирают данные о погодных явлениях.
Автоматическая метеостанция в аэропорту Чайлдресс (штат Техас)
© weather.gov
А вот отслеживать в реальном времени перемещение и местоположение облачных образований, происхождение территорий интенсивных осадков, фиксировать территории страшных явлений, а также гроз, града, шквалов, смотреть за их перемещением и развитием оказывают помощь особые погодные радары. У нас производством и разработкой для того чтобы оборудования занимается концерн «Бриллиант-Антей», известный своими совокупностями противовоздушной и противоракетной обороны.
Доплеровский метеорологический радиолокатор (ДМРЛ-С), созданный данной ведущей оборонной корпорацией, относится к новому поколению радаров с двойной поляризацией сигнала. Современные радары ДМРЛ-С имеют радиус обзора 250–300 км и разрешают осуществлять циклические наблюдения с периодичностью от 3 до 15 мин. в круглосуточном автоматизированном режиме.
Они предоставляют эти с высоким пространственным разрешением (0,5–1 км) на площади до 200 тыс. км2. Всего в замыслах Росгидромета до 2020 года значится установка около 140 радиолокаторов ДМРЛ-С.
Намерено созданное для радиолокатора ДМРЛ-С ПО (ПО ВОИ «ГИМЕТ-2010») позволяет соотносить метеоявления на карте ДМРЛ-С с синоптической обстановкой. Графическую данные с таких радаров мы можем заметить на картах осадков, имеющихся на многих погодных сайтах.
В Соединенных Штатах кроме этого существует сеть метеорадаров, которая включает более чем 120 доплеровских радаров. Сравнительно не так давно они были усовершенствованы посредством разработки Dual Polarization Technology, подобной той, что применили в ДМРЛ-С.
Сейчас сеть погодных радаров в Соединенных Штатах считается самой развитой в мире. Радарами покрыта фактически вся территория, причем восточная часть страны с громадным запасом.
Как раз исходя из этого кратковременный прогноз погоды в Нью Йорке и-Вашингтоне считается одним из самых правильных на планете. В Российской Федерации на данный момент кроме этого реализуется программа развития радиолокационной сети, новые радары строятся, в первую очередь, в Центральном регионе, на юге Дальнего Востока и Сибири
Доплеровский радары отправляют импульсы радиоволн для сканирования воздуха
© NOAA
На воде, в морях и океанах, собирают информацию о погоде метеобуи. Они, как и другие типы метеорологических станций, измеряют такие параметры, как температура окружающей среды над поверхностью океана, скорость (постоянная и порывистая) и направление, барометрическое давление.
Потому, что погодные буи находятся в водоемах, они кроме этого измеряют температуру поверхности моря и высоту волн. Полученные эти обрабатываются и смогут регистрироваться на борту буя, а после этого передаваться по радио, сотовой либо спутниковой связи в метеорологические центры для применения в прогнозировании погоды.
Употребляются как пришвартованные буи, так и дрейфующие, в том числе и в открытых океанских течениях. Фиксированные буи измеряют температуру воды на глубине до 3 метров.
Для измерения параметров воздуха конкретно в ее «толще» в атмосферу запускаются метеозонды. Они измеряют параметры воздуха и по радио передают эти обратно на аэрологические станции наблюдений.
Во всем мире действует порядка 870 станций метеорологического зондирования, из них 115 — у нас. Вот лишь с 2015 года Росгидромет начал запускать метеозонды для изучения воздуха вдвое реже.
Вместо ежедневного двухразового зондирования русские метеорологи перешли на одноразовое. «Информации сейчас планирует меньше, а это, со своей стороны, отражается на точности начальных данных, от которых «стартуют» прогностические модели», — отметил директор Гидрометцентра Роман Вильфанд. Отразилось это на качестве прогнозов погоды не только у нас, но и, к примеру, в соседнем Китае, прогнозы в котором сильно зависят от данных русских метеостанций.
Выше метеозондов следят за погодой метеоспутники. Но и тут все не так легко.
Российская Федерация имеет четыре метеоспутника. Два из них находятся на геостационарной орбите, это «Электро-Л №1» и «Электро-Л №2».
К сожалению, запущенный в январе 2011 года «Электро-Л №1» перестал работать, не смотря на то, что предполагалось, что космический аппарат проработает на орбите не меньше 10 лет. «Электро-Л №2» трудится. Пребывав неизменно в одной точке над Почвой, он снимает полностью все Восточное полушарие планеты.
Космический аппарат данной серии с высоты 35 786 км способен проводить многоспектральную съемку в видимом и инфракрасном диапазонах с разрешением 1 км и 4 км соответственно. Снимки делаются раз в тридцать минут.
Низкоорбитальные спутники «Метеор-1» и «Метеор-2» имеют более низкую орбиту — 825 километров, это разрешает приобретать более детальную данные, чем при применении расположенных на значительно более высокой орбите геостационарных спутников. Оба космических аппарата выведены на солнечно-синхронную орбиту.
Вот лишь «Метеор-1» также не функционирует, на орбите он еще находится, но картину уже не дает. Так, у нашей страны на сегодня лишь два действующих метеоспутника.
Для сравнения, у США на орбите всегда работают пять метеоспутников и еще один аппарат находится в резерве. Но стоить заявить, что еще восемь лет назад российских метеорологических спутников в космосе не было совсем.
Русские метеорологи пользовались информацией, взятой от спутников, запущенных США, ЕС и Китаем. Кроме того очень правильные армейские карты с грифом «совсем секретно» составлялись на базе данных с американских спутников.
Благодаря как раз спутниковым наблюдениям удается значительно повысить точность прогнозов погоды. Так, к примеру, благодаря инструменту AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder), выведенному в космос на борту спутника Aqua, NASA удалось значительно повысить точность прогнозирования погоды.
Прибор разрешает создавать трехмерные поверхности температуры и карты воздуха, пара и особенностей туч. Имея 2378 спектральных каналов, AIRS дает разрешение более чем в 100 раза больше, чем прошлые инфракрасные зонды, и снабжает более правильную данные о вертикальных профилях атмосферной влажности и температуры.
AIRS кроме этого может измерять следовые парниковые газы, такие как озон, угарный газ, метан и двуокись углерода.
Структура облачности урагана Ирма (август-сентябрь 2017 года)
выстроенная на базе данных AIRS
© airs.jpl.nasa.gov
Кроме содействия в составлении самых правильных прогнозов, AIRS отслеживает дым и выбросы вулканов от лесных пожаров, измеряет вредные соединения, такие как аммиак. Если вы слышите о том, что озоновый слой над Антарктидой начал восстанавливаться, то это благодаря AIRS, что и это подмечает.
Имеется и другие методы наблюдения за погодой из космоса. Способ скаттерометрии разрешает дистанционно определять направление и скорость ветра в океанах.
Скаттерометр — это микроволновой радар, сканирующий поверхность океана и разрешающий измерять удельную действенную площадь рассеяния, что позволяет восстанавливать параметры приводного ветра. Радар «видит» волны и определяет куда и с какой скоростью дует ветер.
Первый таковой прибор был установлен на борту аппарата НАСА SeaSat во второй половине 70-ых годов двадцатого века и в первый раз доказал возможность правильного измерения скорости ветра с орбиты. На орбите уже трудилось много спутников-скатеррометров.
Подобный инструмент RapidScat был установлен на Интернациональной космической станции и действовал с сентября 2014 года по август 2016 года. Создание полномасштабной группировки спутников-скатеррометров разрешит более действенно осуществлять прогнозирование морских штормов, изучать океаническую циркуляцию, сотрудничество океана и атмосферы и их влияние на глобальный климат и погоду.
Суперпомощники
«Прогноз погоды — это решение непростой математической задачи. В рамках совокупности уравнений описываются законы атмосферной циркуляции, притока тепла, вертикальных перемещений.
Это весьма сложная совокупность, и решать ее возможно лишь на суперкомпьютерах», — растолковывает Роман Вильфанд.
Сама мысль создания прогноза погоды с применением динамических уравнений была в первый раз выдвинута британским математиком Льюисом Фраем Ричардсоном еще в первой половине 20-ых годов XX века. Он осознал, что динамику воздуха возможно моделировать, делая тысячи уравнений, тем самым имея возможность прогнозировать погоду.
Но в докомпьютерный век существовал единственный вариант применения данного численного способа — вручную. Ричардсон подсчитал, что потребуется 64 тысячи человек для исполнения расчетов, нужных для своевременного качественного прогноза.
И не смотря на то, что это было непрактично, его теория легла в базу прогнозирования погоды по мере совершенствования разработки.
Сейчас по всей планете каждый день и ежечасно планируют миллиарды метеорологических данных, зарегистрированных наземными метеорологическими станциями, метеозондами, метеорологическими спутниками и океанскими буями. Целый данный поток погодных данных направляется в центры обработки метеорологической информации, оснащенные, в большинстве случаев, самыми современными компьютерами, поскольку прогноз на завтра нужен уже на данный момент, а не на следующий день либо спустя семь дней.
Менее замечательные автомобили были бы не могут обработать такое количество данных в приемлемый срок.
По состоянию на ноябрь 2016 года, в перечне Top500, рейтинге самых замечательных вычислительных совокупностей мира, значилось 23 суперкомпьютера, предназначенных для прогнозирования погоды. И не смотря на то, что эти 23 совокупности являются менее пяти процентов от общего числа суперкомпьютеров в перечне, они составляют более семи процентов от общей производительности перечня.
На данный момент самым замечательным компьютером для прогнозирования погоды есть машина Метеорологического бюро Соединенного Королевства Cray XC40, которая снабжает производительность 7 петафлопс и находится под номером 11 в Top500. Второй самый замечательный — это спустившийся в рейтинге на 2 позиции если сравнивать с прошлым годом Cheyenne, установленный в Национальном центре атмосферных изучений США (NCAR).
Сейчас он занимает 22 место в перечне, снабжая производительность 4,8 петафлопса. Один петафлопс свидетельствует, что за секунду машина может совершить тысячу триллионов операций с плавающей точкой.
Суперкомпьютер Cray XC40
национальной работы погоды Соединенного Королевства — Met Office
© metoffice.gov.uk
На этом фоне русские метеорологи, само собой разумеется, смотрятся очень робко. Основной вычислительный центр Росгидромета располагает на сегодня тремя вычислительными кластерами неспециализированной производительностью 62 терафлопса (триллиона операций в секунду).
Новый суперкомпьютер собираются установить к Январю. Параметры его производительности не раскрываются. Актуальность в нем назрела по окончании урагана, что случился в Москве 29 мая.
Тогда погибло 18 человек. По словам Романа Вильфанда, для окончательной настройки компьютера потребуется еще от 6 до 8 месяцев.
Но прогнозы большого разрешения для Столичного региона с шагом в километр покажутся еще позднее — к концу 2019 года.
Способы прогнозирования погоды
Считается, что предсказание погоды есть конечной целью изучения воздуха. Прогнозирование отмечается как самая развитая область в метеорологии.
Природа современного прогнозирования погоды достаточно сложна. Принято выделять три способа научного прогнозирования погоды: синоптическое прогнозирование погоды, численный (он же гидродинамический) способ и статистический.
Синоптическое прогнозирование — это классический подход к прогнозированию погоды. До конца 1950-х годов данный способ употреблялся как основной.
Он основывается на анализе и построении синоптических карт, изображающих атмосферные условия в конкретный момент времени. На них выделяются отдельные объекты (циклоны, антициклоны, атмосферные фронты и т. д.), для каждого из которых характерны определенные типы погодных условий.
Современный метеорологический центр каждый день готовит серию синоптических карт. Такие карты составляют базу прогнозов погоды.
Задача подготовки синоптических карт на постоянной базе включает в себя анализ и сбор огромного количества данных наблюдений, взятых с множества метеорологических станций.
Первую карту погоды составил французский математик, директор Парижской обсерватории Урбен Леверье 19 февраля 1855 года. Данный процесс забрал много времени. Ее составили на базе данных, взятых по телеграфу из нескольких городов Европы.
Разносторонний Леверье кроме этого известен тем, что на основании его расчетов была открыта планета Нептун.
На базе тщательного изучения метеорологических карт в течении многих лет были сформулированы определенные эмпирические правила. Эти правила оказывают помощь метеорологам оценить направление и скорость перемещения погодных совокупностей.
К примеру, в то время, когда известен тип погоды, создаваемой на протяжении фронта, и направление и скорость движущейся бури, возможно сделать достаточно правильный прогноз погоды для выбранной местности.
Но из-за неожиданных трансформаций в циклонической совокупности эти прогнозы настоящи в течении только маленького периода времени, скажем, в течение нескольких часов либо дня. Прогнозирование на более долгий период уже затруднительно.
Современная синоптическая карта
© meteorf.ru
В середине прошлого века заключили , что другие способы смогут более совершенно верно прогнозировать будущую погоду, чем это было вероятно посредством классического синоптического подхода. Численный способ включает в себя большое количество математики.
Он кроме этого именуется «гидродинамическим» и основан на построении математических моделей взаимодействия и моделей атмосферы воздуха и океана. В нем решаются уравнения гидро- и термодинамики и употребляются фундаментальные физические законы.
Газы воздуха подчиняются последовательности физических правил, и в случае если известны текущие условия воздуха, то узнаваемые физические законы смогут употребляться для прогнозирования будущей погоды.
С конца 1940-х годов отмечается устойчивый рост применения математических моделей в прогнозировании погоды. Эти процедуры произошли благодаря продвижению в формулировании математических моделей.
Математические уравнения используются для разработки теоретических моделей неспециализированной циркуляции воздуха. Они кроме этого употребляются для прогнозирования трансформаций в воздухе с течением времени.
В них учитываются параметры определенных элементов погоды, таких как воздушные течения, температура, влажность, испарение, облачность, ливень, взаимодействие и снег воздушных потоков с поверхностью суши и океанов.
В разработке численного способа прогнозирования погоды решающие шаги были сделаны советским ученым, академиком А. М. американским учёным и Обуховым Дж. Чарни.
Как раз они довели данный способ до практической реализации, ставшей вероятной с возникновением ЭВМ.
В то время, когда мы разглядываем неизменно изменяющуюся воздух, нужно учитывать много переменных. Это весьма непростая задача.
И для ее ответы были подготовлены численные модели, каковые игнорируют кое-какие переменные в предположении, что кое-какие нюансы воздуха не изменяются со временем. Это разрешает снизить требования к производительности компьютеров, но в один момент понижается и уровень качества прогноза.
Статистические способы употребляются наровне с численным прогнозом погоды. Данный способ довольно часто дополняет численный способ.
Статистические способы применяют прошлые записи метеорологических данных, исходя из предположения, что в будущем погода будет повторяться.
Главная цель изучения прошлых метеорологических разрешённых — выяснить те нюансы погоды, каковые являются хорошими показателями будущих событий. Но так возможно делать прогноз погоды с громадным шагом по территории.
Это особенно полезно при проектировании лишь одного нюанса погоды за раз. К примеру, это имеет громадное значение для долговременного прогнозирования большой температуры в течение дня в определенном месте.
Процедура содержится в сборе статистических данных, касающихся температуры, направления и скорости ветра, количества облачности, влажности конкретного сезона года. Статистический способ имеют громадное значение для долговременных прогнозов погоды.
Как видим, возможностей для улучшения точности прогнозов погоды достаточно. Мощности суперкомпьютеров растут, и с громадной уверенностью возможно заявить, что они будут обнаружить собственный использование в метеорологии.
Все новые инструменты для наблюдения за погодой выводятся в космос, растет сеть метеорадаров. В целом, это относится и нашей страны.
Начинается новое направление в прогнозировании погоды — наукастинг, разрешающий производить сверхкраткосрочный прогноз об страшных явлениях погоды на ближайшие пара часов. Так что будем сохранять надежду, что обещания главы Гидрометцентра Романа Вильфанда о прогнозах погоды с точностью до района а также улицы будут реализованы.
Источник: naked-science.ru
Как делают прогноз погоды
