Прогноз погоды — интересная штука, всегда хочется его знать. За тысячи лет человечество придумало множество способов предсказания поведения природы: от примет, до сложных численных моделей, обсчитываемых на супер-компьютерах.
Приметы
Что сейчас, что сто лет назад, что тысячу или даже десятки тысяч - человеку всегда не просто хотелось, а было выгодно знать, какая погода будет через час, полтора или завтра. От этого зависел успех охоты на кабана, разведения огня, вспашки поля, количество собранного и запасенного урожая. Знание погоды для человека, почти то же самое, что вопрос выживания. Без науки и каких-либо околонаучных методов предсказание погоды сводилось к эвристикам, так же называемыми приметами:
- Жаворонки летят — к теплу, зяблики — к стуже.
- Гуси высоко летят — много воды будет.
- Лягушки квакают в пруду — к дождю.
- Птицы низко летают — к дождю.
- Деревья покрылись инеем — к метели.
- Кошка прячет нос — к холоду.
И еще много других примет являются обычными наблюдениями за природой, примерами так называемой народной мудрости, позволяющей первично, почти случайно предсказать погоду. Под собой приметы зачастую не имеют никакой логики или рассуждений. Они на то и приметы, что если произошло событие «А», значит будем ждать событие «Б». Именно, что ждать, а не знать, что оно произойдет.
На этом блок про приметы считаю, что можно закончить и перейти к метаэвристическим подходам, к подходам, основанным не только на наблюдениях, но и на выявлениях закономерностей, которые более эффективно позволили бы определить поведение природы.
Первые попытки логического описания поведения природы
Древняя Греция
Как и большинство логического, все уходит корнями в древнюю Грецию: 350 год до н.э. Аристотель написал сочинение "Метеорологика", в котором объединил и изложил учения о четырех первоэлементах: воде, огне, воздухе и земле, предзнаменованиях связанных с небесными телами, а так же логике образования осадков. Примеры того, о чем писал деятель:
О громе:
...когда выдохов много (идет речь о дыхании земли: взаимодействие элементов земли и воздуха) и они редкие, тогда результат их объединения есть облако, из которого в следствие мы получаем громовой удар.
Об урагане:
...итак, вихрь возникает из-за того, что зарождающийся ураган не может вырваться из своего облака: он возникает из-за сопротивления, образующего воронку в виде спиралей, опускающися на землю и увлекающмх за собой облако, которое не в состоянии сбросить их с себя. Он (вихрь) перемещает вещи своим ветром в том направлении, в котором идет сам, кружит их, с силой подхватывая все, что встречает"...
Набадейское царство
Царство, в котором было построено одно из чудес света — древний город Петра.
В 904 году нашей эры в труде Ибн Вахшийя "Набатейское сельское хозяйство" (переведено на арабский язык с более ранней работы на арамейском), обсуждались прогнозы погоды по атмосферным изменениям и признакам планетарных астральных изменений, была попытка уставновить связь между фазами Луны и возникновением дожды, а также составлялись прогнозы погоды, основанные на движении ветров.
Вывод по древним методам
Древние методы прогнозирования погоды обычно основывались на наблюдаемых закономерностях событий, но многие из этих методов не выдерживают строгой статистической проверки.
Современные методы
Современная эпоха прогнозирования погоды началась только с изобретением электрического телеграфа в 1835 году.
Такая маркировка начала новой эпохи прогнозирования не случайна и весьма логична. До изобретения телеграфа просто невозможно было быстро собирать информацию о погоде на большой территории: голуби, гонцы на лошадях, поезда были слишком медленными для передачи такой информации, а ведь еще требовалось время на обработку всех полученных данных.
Людям, которым приписывают зарождение прогнозирования как науки, стали офицер Королевского военно-морского флота Великобритании Фрэнсис Бофорт и его протеже Роберт Фицрой.
Фрэнсис Бофорт
Бофорт разработал шкалу силы ветра и кодировку погодных обозначений, которые он должен был использовать в своих дневниках до конца своей жизни. Он также способствовал разработке надежных таблиц приливов и отливов у берегов Великобритании и вместе со своим другом Уильямом Уэвеллом расширил учет погоды на 200 британских постах береговой охраны.
Роберт Фицрой
Роберт Фицрой в 1854 году, став начальником метеорологического отдела, предшественника современного метеорологического бюро, начал заниматься сбором данных о погоде в море: всем капитанам судов было поручено собирать данные о погоде и вычислять их с использованием проверенных инструментов.
Для прогнозирования погоды было создано пятнадцать наземных станций для использования телеграфа для передачи ежедневных сводок погоды в установленное время, что привело к появлению первой службы предупреждения о шторме.
По мере расширения сети электрических телеграфов, обеспечивающей более быстрое распространение предупреждений, была разработана национальная сеть наблюдений, которую затем можно было использовать для проведения синоптического анализа.
Численное предсказание
Следующим шагом в предсказании погоды стали численные методы обработки данных.
Только в 20 веке достижения в понимании физики атмосферы привели к созданию современного численного прогнозирования погоды. В 1922 году английский ученый Льюис Фрай Ричардсон опубликовал "Прогноз погоды с помощью численного процесса". Ученый в своем труде описал, как можно в прогностических уравнениях гидродинамики, описывающих движение атмосферного потока, пренебрегая малыми членами (значениями которые можно отбросить в силу их малости / незначительности по сравнению с остальными) разработать схему расчета значений в следующий момент времени, основываясь на знании значений в данный момент в определенных точках пространства, позволяющую находить решения для численного прогнозирования.
Ричардсон представлял себе большую аудиторию из тысяч людей, выполняющих вычисления и передающих их другим (вычислительное бюро), из которого на выходе будет получен желаный прогноз.
Говоря простым языком, без углубления в математику и анализ, данный способ прогноза был хорош, однако было пару НО:
- Количество требуемых вычислений было слишком велико — требовался большой человеческий ресурс (компьютеров тогда еще не было).
- Чем больше шагов по времени мы сделаем (чем дальше мы заглянем в будущее), тем менее точный прогноз мы получим, вплоть до полного несответствия. А что поделать? Издержки численной математики...
Практическое же использование численного прогнозирования погоды началось только ближе к 1955 году, с разработкой и развитием программируемых ЭВМ.
Что имеем сегодня
Сегодняшние методы прогноза являются развитием исследований 20-го века, основную роль играют численные методы и скорость расчета по полученным данным. Они включают в себя сложные, комплексные модели предсказания погоды, учитывающие почти что все, что можно измерить (температура, давление, магнитное поле, скорость ветра...).
Данные модели построенны на методах математического моделирования и большом количестве данных, собираемых буквально отовсюду (датчики на спутниках и самолеты, радары, метеостанции).
Но все же они не будут до конца точными. Попросту невозможно учесть поведение каждой молекулы, каждого атома не то что на планете, а даже в замкнутой комнате с десяток квадратных метров. Слишком много вычислений и факторов влияющих на итоговый ответ.
Подытожим
Не стоит злиться, что прогноз оказывается верным только в рамках текущих пары дней (и то не всегда). Упрекать метеоролога в ошибках — все равно что упрекать мир в непостоянстве и несовершенстве. Метеорология — сложная наука, продолжающая развиваться и совершенствовать свои инструменты, позволяющие выдавать все более точные и точные предсказания. Тем более сейчас с развитием искуственного интелекта (хоть ИИ по сути и сам предстваляет собой математическую модель), у метеорологов появятся новые технологии, которые можно будет включить в ансамбль прогноза.