Каких-то 70 лет назад прогноз погоды делали только по синоптическим картам. Точность такого метода оставляла желать лучшего, сбывалось чуть больше половины прогнозов. Но метеорологические модели совершили настоящую революцию, и сейчас сбывается уже больше 95% прогнозов на ближайшие сутки. Сегодня расскажем, что лежит в основе моделей, как они работают и чем отличаются.
Численный прогноз погоды
В основе метеорологических моделей лежит одна главная идея: атмосферу можно описать физическими уравнениями. Эти уравнения потом можно решить, то есть найти какую-то неизвестную их часть, зная другую. Решение таких уравнений называется численным прогнозом погоды.
Удивительно, но всё, что происходит с воздухом, описывают всего пять уравнений. Их называют “примитивными”. Но не потому, что они очень простые, а потому, что они как бы первичные, исходные. Примитивные уравнения содержат:
- Свойства воздуха как вещества
- Законы, по которым движется воздух
- Закон сохранения вещества (если откуда-то убыло, то куда-то прибыло)
- Законы переноса тепла (по каким причинам воздух остывает и нагревается)
- Закон, по которому свойства атмосферы изменяются с высотой
Есть и другие важные уравнения. Они описывают процессы, связанные с воздухом только косвенно, но всё равно влияющие на основные метеорологические элементы. Например, образование облаков и осадков, солнечную радиацию, подстилающую поверхность и некоторые другие.
Что мы получаем, решая уравнения?
Благодаря данным наблюдений (про них мы подробнее расскажем в других письмах) нам известны метеорологические условия в текущий момент времени. А зная законы, по которым живёт атмосфера, мы можем найти, какими будут условия в будущем. Это и есть прогноз погоды. Но не всё так просто.
Конечно, все уравнения решаются не вручную. Они записаны в кодах моделей, которые запускаются на мощнейших компьютерах.
Представим самое простое уравнение: Y = X + 1. Если мы знаем X, то всегда можем точно вычислить Y. Это называется аналитическим решением. Но наши уравнения сложнее, они не решаются аналитически. Их решение мы можем найти только приблизительно, с какой-то погрешностью.
От чего зависит эта погрешность?
Во-первых, от наличия данных наблюдений. Главный источник данных для модели — метеорологические станции. Есть традиционные станции, на которых всё измеряют люди, и автоматические. Точность автоматических ниже, зато они занимают мало места, и им не нужно платить зарплату! Сейчас активно развиваются средства дистанционного наблюдения: метеорологические спутники, радиолокаторы. Разных данных очень много, но пока их всё равно недостаточно. Особенно большие проблемы над океанами, где возможны только дистанционные наблюдения. А океаны играют важнейшую роль в формировании погоды по всему миру.
Спутники способны произвести измерение над любой территорией, но их возможности пока очень ограничены.
В принципе, чем точнее мы хотим предсказывать погоду, тем больше данных нам нужно. Но есть проблема: чтобы описать все процессы атмосферы, данные должны быть с каждого сантиметра Земли. Да ещё и по всей высоте атмосферы!
Но даже если мы каким-то образом поставим столько станций, это не поможет. Данных очень много, формулы сложные. Даже самые мощные компьютеры в мире выполняют вычисления очень долго. А чем больше информации мы загружаем, тем больше нужно времени. Представьте: вы хотите дать прогноз на 1 час вперёд, а расчёт этого прогноза занимает 2 часа. Это бессмысленно!
И что, всё так плохо?
Нет! Учёные разработали много “упрощений”, позволяющих компенсировать недостаток данных и мощностей компьютеров. Хотя это не упрощения, а скорее усложнения. Формул становится больше, но зато они заточены под наши данные, наши компьютеры и наши задачи. Пример такого упрощения — система уравнений для синоптических процессов. В ней будут существовать циклоны и антициклоны, но конвекция будет полностью отсутствовать. Зато расчёты ускоряются в разы.
Так выглядят компьютеры, на которых запускают метеорологические модели. Они занимают целые здания!
Чтобы такая модель не сильно теряла в качестве, разрабатываются параметризации. Это упрощённые описания процессов, не включённых в модель. Составление параметризаций для моделей — огромная область научных исследований. А качественные параметризации — один из главных секретов успеха любой модели. Освободившиеся благодаря параметризациям мощности компьютера можно направить на улучшение любых других характеристик модели.
Чем отличаются метеорологические модели
Все модели разные. У нас уже есть тексты, где мы подробно сравниваем модели, использующиеся в нашем приложении. Здесь мы сформулируем всё в более общем виде.
Самые мощные компьютеры могут себе позволить крупные межгосударственные организации. Одним из мощнейших вычислительных центров мира считается Европейский Центр Среднесрочных Прогнозов Погоды (ECMWF), объединяющий более 30 стран Европы и Азии. Модель, разработанная ECMWF, многими признаётся лучшей в мире.
Распоряжаться мощностью компьютера можно по-разному. Можно улучшить “физическую основу” модели, уменьшив количество процессов, которые приходится параметризовать. Можно уменьшить расстояние между точками, для которых мы делаем прогноз (т.е. увеличить пространственное разрешение), либо уменьшить шаг по времени. Например, в глобальной модели ICON пространственное разрешение составляет 13 км, это хороший показатель. Но её версия для Центральной Европы уже имеет разрешение 2.2 км, это в 6 раз лучше. А всё потому, что расчёт производится для гораздо меньшей территории, и освободившиеся ресурсы компьютера были направлены в том числе на повышение пространственного разрешения.
Развиваются и облачные технологии, которые помогают пересчитывать данные моделей в более высоком разрешении. Например, для нашего приложения мы сами рассчитываем прогноз с разрешением 8 км для Европы и 3 км для Восточной Азии по модели WRF.
Есть ли проблемы у численного прогноза погоды?
Точность численных прогнозов погоды быстро растёт. Появляются более мощные компьютеры, развивается сеть наблюдений, улучшаются параметризации. Но не стоит доверять метеорологическим моделям безоговорочно. Небольшие (по меркам модели) ошибки могут сильно повлиять на ваш день. Например, к вам может прийти туча, которая по прогнозу должна была пройти стороной, либо предсказанный заранее ливень начнётся на пару часов раньше. Чтобы получить максимально полный прогноз погоды, рекомендуем сравнивать прогнозы разных моделей, доступных в вашем регионе, и дополнять их синоптическими картами и метеорологическими радиолокаторами.
Тем не менее, настоящее и будущее прогнозов — однозначно за численным моделированием.
