Погода имеет первостепенное значение в парусном спорте. Ветер приводит в движение парусную яхту и, по сути, является её двигателем. Однако ветер, волны и другие погодные факторы определяют не только темп путешествия, но и его комфорт. Сильный ветер, высокие волны или плохая видимость в крайних случаях могут даже представлять опасность для экипажа и яхты. Короче говоря: любому, кто хочет быстро, безопасно и с удовольствием отправиться в плавание без неприятных сюрпризов, необходим надежный прогноз погоды.
Погода — это хрупкая система, предсказуемая лишь в ограниченной степени. Даже самые незначительные изменения могут коренным образом изменить ситуацию. Однако благодаря современным методам измерения, наблюдения и компьютерным технологиям начальные условия можно оценивать более точно, что позволяет учитывать все больше факторов в прогнозах. Это делает прогнозы погоды все более точными. Но как они создаются на самом деле — и каковы ключевые аспекты современного прогноза погоды? Для начала, краткий экскурс в прошлое.
От первоначальных наблюдений и первых измерений до систематических метеорологических наблюдений.
Наблюдение и прогнозирование погоды занимали человечество на протяжении тысячелетий. Первый учебник по метеорологии, «Метеорология», был написан Аристотелем около 350 года до н.э. Его концепции и фундаментальные идеи продолжают оказывать влияние и сегодня. Решающий прогресс произошел с изобретением первых измерительных приборов, таких как термометр и барометр, в XVI и XVII веках. Они впервые сделали возможным систематическое измерение температуры и атмосферного давления.
Однако погода — это глобальное явление: даже самые незначительные изменения в одной части мира могут повлиять на погодные условия в совершенно другой части земного шара. Современная метеорология появилась только с созданием всемирной сети метеостанций и развитием связи, что позволило быстро обмениваться данными между этими станциями.
Это впервые позволило создать метеорологические карты, отображающие погодные условия на большей территории. На них показаны линии равного атмосферного давления (изобары) и равной температуры (изотермы), а также важные элементы погоды, такие как области высокого и низкого давления, обозначенные легко понятными символами. Такое представление, также называемое синоптическим, заложило основу для развития современных прогнозов погоды.
В начале XX века была признана важность верхних слоев атмосферы. Первоначально их наблюдали с помощью радиозондов и измерительных приборов на аэростатах, а позже и с самолетов. Во второй половине века два инструмента произвели революцию в метеорологических исследованиях: спутники позволили отслеживать погоду практически по всему миру, а компьютеры стали рассчитывать изменения в атмосфере с возрастающей точностью. Это привело к развитию современного численного прогнозирования погоды. Сегодня различные численные модели погоды лежат в основе метеорологических приложений , которые давно стали стандартом не только для моряков.
Детальные измерения: основа современных прогнозов.
Для эффективной работы современных систем прогнозирования погоды необходимо как можно точнее фиксировать текущее состояние погоды. Как уже было описано, погода — это крупномасштабное явление; поэтому метеорология должна как можно точнее наблюдать за погодными условиями в глобальном масштабе и во всей атмосфере. Для проведения дальнейших метеорологических расчетов необходимо, прежде всего, регистрировать погодные условия в числовом и численном виде.
Для этой цели используются различные физические измерения, такие как атмосферное давление, температура, направление и скорость ветра, а также количество водяного пара (влажность) в воздухе. Дополнительная сложность заключается в том, что все эти значения должны измеряться не только на уровне земли, но и на разных высотах в атмосфере. Эти параметры дополняются наблюдениями за облаками и погодными явлениями.
Сегодня эта информация поступает из глобальной сети наблюдений. Она основана на данных примерно 11 000 наземных метеостанций, которые проводят различные измерения в фиксированное время. Для более точной оценки условий на больших высотах используются также измерительные приборы на самолетах. Кроме того, метеорологические зонды запускаются не реже двух раз в день из более чем 1300 точек по всему миру. Эти зонды, несущие радиозонды, поднимаются на высоту до 38 километров в атмосферу и непрерывно передают данные измерений на Землю во время своего подъема. Как только зонд достигает целевой высоты, он лопается, и приборы возвращаются на Землю на парашютах.
Однако одна из проблем этих методов регистрации погоды заключается в том, что они применяются не повсеместно на Земле в одинаковой степени.
Отсутствие данных: проблема для точных прогнозов погоды
Особенно в Европе и Восточной Азии наземные метеостанции регулярно предоставляют надежные метеорологические данные. В отличие от них, более малонаселенные регионы Северной и Южной Америки лишь в минимальной степени охвачены измерительными станциями. Ситуация еще хуже во многих регионах Африки и Океании. Значительные части мира остаются в значительной степени «информационными пустынями». К ним относятся, например, полярные регионы и, что особенно неблагоприятно для моряков, океаны.
Телеграмм канал ПРО ЯХТЫ. Новости. История паруса. Теория управления яхтой.
Реальная проблема заключается в том, что даже погода в хорошо контролируемых регионах в значительной степени подвержена влиянию процессов, происходящих в этих «информационных пустынях». Даже в таких хорошо документированных метеорологических районах, как Европа, это может значительно осложнить прогнозирование. Арктика — яркий тому пример, поскольку ее погодные условия оказывают существенное влияние на погоду в Центральной Европе. Чтобы хотя бы сократить пробелы в данных над океанами, в настоящее время эксплуатируется около 2500 судов, оборудованных метеостанциями.
К ним добавляются около 1500 автоматических дрейфовых буев. Примерно 5000 коммерческих самолетов также регулярно предоставляют важные данные измерений различным метеорологическим институтам.
Спутники: позволяют нам видеть весь мир.
Только благодаря использованию спутников стало возможным практически полностью и всесторонне наблюдать за глобальными погодными условиями, особенно в описанных ранее областях с дефицитом данных. Метеорология использует данные со спутников погоды уже более 50 лет. Эти данные постоянно совершенствуются и стали незаменимым инструментом. Спутники измеряют отраженное солнечное излучение, а также излучение Земли и атмосферы в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах.
На основе этих данных можно получить различные физические параметры, такие как температура и влажность. Спутники также предоставляют данные об облачности, которые помогают определить направление и скорость ветра на разных высотах. Радиолокационные системы на спутниках дополнительно предоставляют данные о высоте волн, а также о направлении и скорости ветра у поверхности моря.
Модели погоды и мощные компьютеры: квантовый скачок в прогнозировании погоды.
Все описанные выше методы измерения помогают с возрастающей точностью описывать текущее состояние погоды. Но как их можно использовать для прогнозирования будущей погоды? Метеорологи давно стремились описать физические процессы в атмосфере полностью математически. На самом деле, многие из этих процессов уже можно достаточно точно представить уравнениями, но не всегда полностью и без ошибок.
При проведении метеорологических расчетов необходимо учитывать чрезвычайно сложные взаимосвязи между различными параметрами и измерениями, в идеале — в каждой точке атмосферы Земли. Эти сложные системы уравнений лежат в основе численных моделей прогнозирования погоды, разработанных различными метеорологическими институтами. Метеорология использует эти модели, чтобы попытаться с помощью вычислений максимально точно аппроксимировать надежный прогноз погоды.
Для создания численной модели прогнозирования погоды на область Земли накладывается трехмерная сетка. В некоторых моделях эта сетка покрывает только определенный регион, в других — весь земной шар. Сетка простирается от поверхности Земли до высоты примерно 75 километров. Для каждой точки пересечения этой сетки определяются уравнения, описывающие соответствующие физические величины в этом месте. Измеренные значения из этого региона затем вводятся в модель.
Начиная с этого начального состояния, компьютер приступает к вычислениям и моделирует изменение погоды. В конечном итоге модель предоставляет прогнозы различных параметров, таких как ветер, для каждой точки сетки.
Вычислительные затраты огромны: для каждой точки пересечения необходимо выполнить приблизительно 5000 вычислений – и это относится как к 90 вертикальным слоям, так и к каждому временному шагу прогноза. В зависимости от «плотности сетки» сети, то есть расстояния между отдельными точками прогноза, размера области прогнозирования и периода прогнозирования, вычислительные затраты возрастают экспоненциально.
Вычислительные затраты дополнительно увеличиваются из-за хаотического характера погоды: даже малейшие отклонения в исходных данных могут полностью изменить прогноз. Чтобы учесть это в расчетах, все описанные ранее вычисления необходимо выполнять многократно, каждый раз с немного измененными начальными и граничными условиями, а также с различными настройками модели.
Даже сегодня, несмотря на суперкомпьютеры и растущее число центров обработки данных, все эти вычисления сложно выполнить в приемлемые сроки. Или, говоря прямо: какой смысл в высокоточном прогнозе погоды на следующие два дня, если сам расчет занимает два дня?
Следовательно, для снижения вычислительных затрат необходимо идти на компромиссы. Наиболее распространенные корректировки включают в себя расстояние между отдельными точками прогнозирования в сети, размер области прогнозирования и период прогнозирования.
Именно поэтому высокоточная метеорологическая модель, такая как модель ICOM-D2, несмотря на высокое разрешение — то есть небольшое расстояние между точками прогноза — вынуждена идти на компромиссы в отношении площади и периода прогноза.
Вероятно, непредсказуемо: где автоматические прогнозы погоды достигают своих пределов.
Численные модели погоды уже считаются чрезвычайно надежными и постоянно совершенствуются. Это позволяет делать крупномасштабные прогнозы на многие дни вперед. Однако чем дальше прогноз отклоняется от исходной точки, тем больше становится неопределенность.
Кроме того, мелкомасштабные явления, такие как локальные ветры, туманные пятна или грозовые ячейки, представляют собой значительно большие трудности. Например, грозовая ячейка может быть настолько мала, что её даже не обнаружит высокоточная метеорологическая модель, использующая относительно мелкую сетку. Более того, моделирование образования облаков и осадков остаётся одной из самых сложных задач в метеорологических исследованиях.
Используя радиолокационные системы, метеорологические институты могут обнаруживать осадки с точностью до нескольких сотен метров. Благодаря различным радиолокационным эхо-сигналам, можно даже определить, является ли эхо дождем, градом или снегом. Системы обнаружения молний, которые определяют местоположение ударов молнии с точностью до 100 метров, указывают на наличие грозовой ячейки. Однако такие системы не могут предсказывать будущее. Прогнозирование изменений погоды и перемещения грозы возможно только путем анализа прошлых радиолокационных эхо-сигналов.
Телеграмм канал ПРО ЯХТЫ. Подписывайтесь на канал.
В конечном счете, люди должны использовать свой опыт, чтобы оценить погоду и решить, как будет развиваться погодная ситуация. Например, для официального прогноза погоды используются все доступные источники. Метеорологи отслеживают показания измерительных станций, радаров и спутниковых данных, сравнивают их с результатами различных моделей и, используя свою экспертную оценку, решают, какой прогноз следует выпустить.
Заключение
Несмотря на весь прогресс, погода остается хаотичной и труднопредсказуемой системой, которую никогда нельзя будет полностью рассчитать. Поэтому прогнозы погоды всегда будут нести в себе определенную долю остаточного риска.
Однако события последних десятилетий демонстрируют, насколько быстро метеорология стала точнее. Сегодня семидневный прогноз так же надежен, как и ежедневный прогноз всего пятьдесят лет назад. Благодаря современным технологиям, погоду можно наблюдать и рассчитывать с постоянно возрастающей точностью. Этот прогресс сделает прогнозы погоды, в том числе и для моряков, еще более надежными в будущем.