Ещё в древности люди стремились предсказать благоприятные условия для посева и сельскохозяйственных нужд. Благодаря бытовым наблюдениям появились народные приметы. Наука же обратила своё внимание на прогноз погоды только 160 лет назад. И лишь 120 лет назад эту задачу начали решать математически. Рассказываем об истории прогноза погоды.
Первые шаги
Прогноз погоды интересовал мореплавателей ещё в средние века, и особенно — в период великих географических открытий. Однако организация по прогнозированию погоды была учреждена только в 1854 году. Метеорологическое бюро стало небольшим отделом Торгового совета Английского королевского общества. Его возглавил вице-адмирал Роберт Фицрой, который стал одним из первых метеорологов. Примечательно, что именно Фицрой начал делиться прогнозами с широкой публикой. Первый в истории прогноз погоды опубликовали в Times в 1860 году.
По всей Европе построили 24 метеостанции, которые обменивались информацией через телеграф Морзе. Немецкие ученые Генрих Дове и Генрих Брандес предложили наносить эти метеонаблюдения на карты. Так появились первые погодные чертежи. Брандес первым нанёс на карту отклонения давления от нормы и обнаружил, что области пониженного и повышенного давления занимают большие пространства. Сегодня мы называем эти зоны циклонами и антициклонами. Дове же анализировал не только давление, но и температуру. Учёные догадались нанести на карту ветер и увидели, что ветер и атмосферное давление связаны между собой.
Вскоре Роберт Фицрой начал говорить о взаимодействии циклонов и антициклонов, областей высокого и низкого давления, и о зонах раздела между тёплым и холодным воздухом. Сегодня мы называем эти зоны атмосферным фронтом. В середине XIX века его исследования не признали. К идеям Фицроя вернулись только в 1920-х годах.
Следующим этапом в развитии метеорологии стало появление норвежской школы. Фронтальный анализ, который был изобретён её представителями, сегодня успешно применяется во всём мире. Анализируя текущую и будущую погоду, учёные берут за основу главные синоптические объекты: тёплые и холодные воздушные массы и их распределение. Зная направление ветра, можно понять, куда будут перемещаться воздушные массы и атмосферные фронты. А значит, можно составить прогноз погоды.
Математический прорыв
В начале XX века метеорологию ждал новый прорыв — развивалась термо- и гидродинамика, из-за чего прогнозирование перешло на новый математический уровень. Об этом говорит, к примеру, опубликованная в 1904 году работа Бьеркнеса. Метеоролог выделил переменные, которые описывают состояние атмосферы: давление, температура, плотность воздуха, влажность и компоненты скорости воздушных потоков. Бьеркнес разработал систему уравнений, решение которой и давало прогноз погоды.
В 1922 году метеоролог Льюис Фрай Ричардсон вдохновился уравнениями Бьеркнеса и решил сделать их практически применимыми. Учёный разложил их в систему и искал ответ численными методами. К несчастью, он получил абсурдный вывод, согласно которому на следующий день давление в Европе должно было измениться на 109 мм ртутного столба. В реальности это было невозможно: Ричардсон ошибся в начальных условиях. Коллеги высмеяли метеоролога, и понадобились десятилетия, прежде чем модель реализовали на практике. К его идеям вернулись после изобретения первых компьютеров, на которых реализовали математические модели численного предсказания погоды. В основу легли те самые уравнения Ричардсона.
Эра вычислительных машин
По заказу Военно-морского флота США математики Джон фон Нейман и Джул Чарни подготовили первый математический прогноз погоды. Это произошло на машине Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) в 1950 году.
В 1956 году Норман Филлипс разработал первую удачную климатическую модель, которая отображала месячные и сезонные закономерности в тропосфере — нижнем слое атмосферы. В этой модели атмосфера земли делилась на отдельные секторы в виде кубиков. От наблюдателей на метеостанциях программа получала значения физических параметров: температуру, влажность, давление, скорость ветра и т. д. После сведения представлялись в виде уравнений Ричардсона, о которых мы рассказали выше. Компьютер решал уравнения для каждого «кубика» и находил закономерности, на основе которых составлял прогноз.
Математические модели стали важнейшим этапом в развитии метеорологии. Конечно, модель Филлипса с тех пор постоянно совершенствовалась, но её до сих пор используют для как для краткосрочного, так и долгосрочного прогноза. Но несмотря на возможности компьютеров, прогноз погоды до сих пор невозможно составить без человека — синоптика. Есть одна операция, которую на данный момент не может выполнить машина — провести атмосферный фронт.
Современные прогнозы погоды
За прошедший век система прогнозирования пережила много революционных прорывов. Например, появились метеорологические спутники, чьи радары фиксируют зарождение дождя и снега, а датчики вычисляют температуру океанов и участков суши. Они дают информацию о пространствах Мирового океана и труднодоступных районах, где нет метеорологических станций. Благодаря спутникам качество прогноза погоды совершенствуется, а информация становится точнее.
Яндекс.Погода, к примеру, до сих пор высчитывает прогноз погоды по модели Филлипса, однако, в куда более усовершенствованном варианте. Кроме того, сервис использует технологию Meteum 2.0 — прогноз на основе машинного обучения. Её алгоритмы обучаются не только на данных от тысяч приборов на земле и в космосе, но и на сообщениях пользователей.
Переходите на карты Яндекс.Погоды, чтобы узнать актуальный прогноз в своём городе.
#прогноз погоды #погода #история #метеорология #математика #наука #яндекс погода