Говорящие с ветром: как создается прогноз погоды

Этот сентябрь радует жителей европейской части России по-летнему жаркой погодой, а вся осень, по прогнозам синоптиков, должна быть умеренно теплой. В октябре же вполне вероятно наступление второго бабьего лета. Эксперты Пермского Политеха рассказали, как давно в нашей стране составляют погодный прогноз, насколько достоверны данные о погоде на три месяца вперед, чем питаются ураганы и как ученые пытаются повысить точность прогнозов.

Прогноз погоды сейчас и столетия назад

Согласно данным ВЦИОМ, более половины граждан России (54%) регулярно проверяют прогноз погоды и доверяют ему, а две трети респондентов (67%) отмечают, что данные метеослужб подтверждаются на практике.

Научный прогноз погоды стал складываться с созданием ртутного барометра двумя учениками Галилео Галилея — Эванджелисто Торричелли и Винченцо Вивиани в 1643 году. Тогда же появилась мера измерения — миллиметры ртутного столба. В России регулярные наблюдения за погодой стали вестись с 1834 года, после издания резолюции императора Николая I об организации сети метеорологических и магнитных наблюдений.

«Предсказывать погоду люди пытались с глубокой древности, когда еще письменности не было. Нынешние точные инструменты, технологии и накопленные знания тогда заменяли бытовые наблюдения, приметы и суеверия. Все это отражалось в народном фольклоре: вороны в стаю собираются — быть ненастной погоде, белка низко гнездо строит — зима будет морозной. В древности за прогноз отвечали шаманы, старейшины. Позже его пытались формировать священнослужители в монастырях, записывая погодные происшествия. Данные за несколько лет сопоставляли и искали зависимость, но точность таких прогнозов была невелика», — рассказывает Константин Антипьев, кандидат социологических наук, доцент кафедры социологии и политологии ПНИПУ.

На основе чего моделируют погоду сейчас

Росгидромет и его различные подразделения — ведущие организации в России, занимающиеся прогнозированием погоды. Они используют отечественные и международные ресурсы и технологии, включая спутниковые данные, радиозонды и численные модели. Все это позволяет создавать краткосрочные и долгосрочные прогнозы, которые важны для авиации, сельского хозяйства, строительства и гражданской безопасности.

«Численные модели применяют сложные математические уравнения для моделирования поведения атмосферы по всему земному шару. Они позволяют метеорологам анализировать и предсказывать погодные условия на основе данных, собранных с различных источников: метеорологических станций, спутников, зондов, буев в море и т. д. В модель вносят информацию о температуре воздуха, осадках, атмосферном давлении, влажности, солнечной активности и др. Используя текущие данные о погоде, синоптики прогнозируют изменения погоды на определенное время вперед — от нескольких часов (краткосрочные прогнозы) до нескольких дней или даже недель (средне- и долгосрочные прогнозы)», — отмечает Максим Симакин, эксперт ПНИПУ в области метеорологии, член Российского географического общества. 

Космические элементы — как работают спутники и радиозонды

«Аппараты на орбите Земли предоставляют данные о таких погодных условиях, как облачность, температура поверхности, влажность и ветер, состояние ледового и снегового покрова. Эта информация используются для мониторинга атмосферы в глобальном масштабе и является основой для многих прогнозов», — объясняет Максим Симакин.

Метеорологи используют спутниковую информацию при анализе облачных систем, выстраивании траектории движения ураганов и тропических циклонов, изучении состояния поверхности Земли, наличии лесных пожаров и еще множества примеров. Есть спутники, доступ к которым закрыт для обычного пользователя, но к большинству ресурсов может подключиться любой желающий. Например, можно увидеть карту ледовой обстановки в северной полярной области или снимки облачности в приложении Windy.

Метеорологические зонды, также известные как радиозонды, используются для измерения атмосферных параметров на различных высотах. Эти приборы запускаются на специальных гелиевых шарах, которые поднимают их в атмосферу. Прибор оснащен датчиками для определения температуры, давления и влажности. Данные с них поступают на «землю» в режиме реального времени. Современные радиозонды могут включать GPS для установления местоположения и высоты. Такие устройства играют ключевую роль в метеорологии, предоставляя данные о состоянии атмосферы на больших высотах, что невозможно получить с наземных станций. Эта информация необходима для создания и корректировки численных моделей погоды. В отличие от спутников, эти устройства фиксируют погодные показатели в конкретной точке.

Гелиевый шар лопается на высоте около 30 км из-за понижения давления, и зонд падает на землю. Часто они оснащены парашютами для замедления падения, это позволяет избежать повреждений и тогда зонд запускают повторно.

Какая на самом деле точность прогнозов погоды

Конкретность и достоверность предсказания погоды зависит от оборудования исследователей, точности численных моделей прогноза погоды, качества входных данных — насколько плотно район прогнозирования «покрыт» метеорологическими станциями, океанологическими буями, дорожными камерами и прочими инструментами, которые показывают состояние атмосферы и поверхности Земли, например. Важно и разрешение модели — насколько детально она может построить прогноз для определенной местности. Несмотря на совершенствование моделей, они все еще могут иметь погрешности, связанные с упрощениями и приближениями в физических уравнениях. Поэтому зачастую, особенно в горных районах, никакая модель не сможет дать вам 100% гарантию того, что прогноз оправдается.

Есть и природные ограничения. Атмосфера — это сложная и динамическая система. Несмотря на высокие технологии, существует предел точности, связанный с хаотичностью воздушной оболочки нашей планеты. Особенно при долгосрочных прогнозах.

Самые точные предсказания, как правило, получают при использовании комбинации данных с различных источников и моделей, что позволяет учитывать разные аспекты атмосферных процессов. Чем больше разные модели соотносятся друг с другом — тем выше вероятность того, что прогноз будет оправдан.

На ближайшие несколько дней точность предвидения погоды может достигать 90%, однако она резко падает после первой недели, поскольку даже небольшие изменения в атмосфере могут привести к значительным переменам в погоде.

Почему прогнозы погоды могут меняться за короткий промежуток времени

«Для прогноза характерен „эффект бабочки“, когда небольшие неточности в начальной информации сильно влияют на все погодное предсказание. Даже самые современные методы измерения не охватывают все нюансы атмосферы. Это особенно критично для точных краткосрочных прогнозов», — объясняет Максим Симакин.

Компьютерные модели работают на основе математических уравнений, которые выстраивают физические процессы в атмосфере. Однако они имеют ограничения по разрешению и точности. Некоторые мелкомасштабные процессы, такие как образование облаков или локальные ветры, сложно предсказуемы. А грозовые фронты, тропические циклоны или интенсивные дожди могут развиваться и изменяться очень быстро.

Все прогнозы требуют не только точных данных и моделей, но и правильной интерпретации. В таких сферах, как энергетика, авиация, промышленность, погодные предсказания составляет человек, хоть и на основе полученных приборами данных и моделей, которые их обработали. Иногда метеорологи меняют прогноз на основе новых данных или пересмотра предыдущих, что приводит к смене всей погодной картины.

На какой максимально длинный период можно предсказать погоду

Самый длительный период прогнозирования — сезонные прогнозы (от месяца и более). Они могут лишь дать вероятность наступления определенных погодных условий. Долгосрочные прогнозы часто основываются на климатических моделях и тенденциях, таких как глобальные атмосферные и океанические паттерны. Их точность значительно ниже, они предсказывают общие тенденции, например, Например, более сухого лета или более холодной зимы.

Температура реальная и ощущаемая — в чем разница

Температура воздуха измеряется с помощью термометров, обычно на высоте около двух метров над землей. А показатели поверхности земли и воды узнают благодаря инфракрасным или контактным приборам, которыми необходимо прикоснуться к почве, например. Это нужно, чтобы просчитывать испарение, риски образования гроз и другие изменения. В авиации эти температурные показатели используют, чтобы составить представление о зонах турбулентности.

«Ни для кого не секрет, что если на улице будет -15°C и северный пронизывающий ветер, то человек замерзнет быстрее, нежели при ясном небе. Определяет это специальный параметр — или ветро-холодовой индекс. Он обозначает степень воздействия на человека температуры воздуха с учетом скорости и направления ветра», — говорит Максим Симакин.

Расчеты производят по специальной формуле, которую вывели еще во время второй антарктической экспедиции в 1911–1912 годах. Во время зимовки ученые провели серию исследований: наполняли две емкости водой, выставляли их на улицу — на открытое пространство и защищенное от ветра — и засекали время замерзания воды. Во время экспериментов измерялась также температура воздуха и скорость ветра. По разнице во времени замерзания жидкостей определяли реальную температуру воздуха и ту, что в прогнозе обозначают «ощущается, как». Сейчас в интернете можно найти специальные таблицы, где соотносятся эти значения с учетом скорости ветра. Например, при температуре воздуха -15°C и скорости ветра 3 метра в секунду человеку будет казаться, что на улице -21°C.

Как на погоду влияет атмосферное давление

Атмосферное давление — это сила, с которой воздух давит на поверхность Земли. Создается весом столба воздуха от поверхности планеты до верхних слоев атмосферы. Оно становится первопричиной возникновения ветра, который дует из области с большим давлением в зону с меньшим. А ветер приносит с собой теплый или холодный воздух, влагу и облака.

Атмосферное давление измеряется в гектопаскалях (гПа) или миллиметрах ртутного столба (мм. рт. ст.). Его определяют барометрами. В устройстве используется стеклянная трубка, заполненная ртутью, которая перевернута в резервуар с жидким металлом. Атмосферное давление воздействует на поверхность вещества в резервуаре, поднимая его в трубке. Высота столба в ней пропорциональна атмосферному давлению. Бывают также анероидные барометры. В них применяется металлическая коробка (анероид), из которой частично удален воздух. Изменения атмосферного давления приводят к сжатию или расширению этой коробки. Эти изменения механически передаются на стрелку, которая перемещается по шкале. Такие барометры более компактные, удобны для переноски и часто используются в метеостанциях и самолетах.

Атмосферный фронт — это зона перехода между двумя различными по свойствам воздушными массами. Она характеризуется резкими изменениями метеорологических параметров: температуры, влажности, атмосферного давления, облачности и осадков. Фронты бывают: теплыми, холодными (по месту зарождения воздушной массы), а также существуют фронты окклюзии — границы, где сталкиваются теплая и холодная зоны.

Ветер перемен

Скорость ветра определяют анемометром. Самый простой — чашечный — прибор имеет в основе некую горизонтальную ось и прикрепленные к ней чашки. Ветер вращает их с различной силой, воздействие преобразуется в электрический сигнал, который подается к стрелке. Она указывает на скорость воздушного потока. Направление ветра фиксируют флюгерами.

Различные фигурки животных со стрелками, установленные на крыше, — и есть устройство, которое позволяет узнать — откуда и куда дует ветер. Сделать такой аппарат можно и самостоятельно: понадобятся стрелка, подшипник или ось, которые смогут свободно крутиться, и грузик — его нужно закрепить на противоположном конце стрелки.

На каждый вид осадков — свой прибор измерения

Количество осадков помогают узнать дождемеры. Например, осадкомер Третьякова — стандартный прибор для измерения количества дождя. Он представляет собой цилиндрический контейнер, в который собираются осадки, измеряемые затем в миллиметрах.

Снегомер используется для измерения глубины снежного покрова. Это может быть простой линейный измеритель (снежная линейка) или более сложные устройства, такие как ультразвуковые датчики. Лазерные датчики нужны для точного измерения различных видов осадков — дождя, снега и града. Весовые осадкомеры могут определить жидкие и твердые осадки по весу. Доплеровские радары фиксируют интенсивность осадков, анализируя возвращенные сигналы от капель дождя или снежинок. Эти данные часто используются для создания карт осадков в реальном времени.

«Осадки 67%» — что это значит

«В метеорологии применяют два варианта интерпретации количества осадков. Если прогноз дается по региону, то имеется в виду пространственное распределение — то есть 67% (можно подставить любую цифру в зависимости от прогноза) территорий окажутся под дождем. А если прогноз показывается для вашей геопозиции, то чаще указывается именно вероятность выпадения осадков во временной промежуток — 67% за то, что конкретно вы попадете под дождь», — сообщает Максим Симакин.

Что внутри у прибора, измеряющего влажность

Психрометры, фиксирующие влажность, состоят из двух термометров: один измеряет температуру воздуха, а другой — смачиваемой ткани. Разница в показаниях помогает вычислить относительную влажность. Еще применяют приборы гигрометры. Механические — имеют специальные материалы, например, синтетические волокна, которые изменяют свою длину в зависимости от влажности. Электронные основаны на переменах электрических свойств полимеров или солей при изменении уровня влаги, а конденсационные определяют температуру, при которой капли воды в воздухе превращаются в росу.

Океаны питают ураганы

Ураган — это ветряная воронка большой силы и значительной продолжительности. Он формируется над теплыми океаническими водами из-за нескольких факторов. Во-первых, температура поверхности океана должна быть не ниже 26,5°C. Это тепло обеспечивает необходимую энергию для образования и поддержания вертикального движения мощных потоков воздуха. Во-вторых, влага из океана должна испаряться и подниматься вверх, создавая облака и осадки. Конденсация влаги высвобождает теплоту, усиливая восходящие потоки воздуха. В-третьих, ураганы требуют слабого вертикального сдвига ветра, чтобы вертикальные структуры шторма не разрушались.

«Такие мощные ветра могут перемещаться на значительные расстояния, однако, когда ураган переходит на сушу, он теряет свою силу, поскольку утрачивает источник влаги и энергии — теплую океанскую воду. Максимальное расстояние, которое ураган может преодолеть на суше, зависит от его начальной интенсивности и скорости. Обычно он значительно ослабевает в течение нескольких сотен километров от побережья, но может сохранять свою структуру и вызывать эффекты на тысячи километров, особенно если их путь пролегает через водные объекты или влажные районы, которые подпитают его», — объясняет Максим Симакин.

Ультрафиолетовое излучение — чем определяют эффект солнца

УФ-индекс стал учитываться с начала 1990-х годов. Его разработали, чтобы информировать население о рисках, связанных с вредным воздействием солнца на кожу и глаза людей. Ультрафиолет измеряется пирометрами или специальными радиометрами, которые фиксируют интенсивность солнечного излучения. Приемники в устройствах собирают лучи. Они, попадая на сенсор, вызывают изменение его температуры или электрических характеристик.

«Солнечные бури выбрасывают огромное количество заряженных частиц и излучения, которые изменяют свойства ионосферы — слоя атмосферы на высоте от 60 до 1000 км. Эти изменения могут вызвать проблемы с радиосвязью, GPS-навигацией и другими системами, использующими ионосферу для передачи сигналов. Также солнечные бури могут нагревать верхние слои атмосферы, вызывая их расширение. Именно оно увеличивает плотность атмосферы на высотах, где летают спутники, что приводит к дополнительному сопротивлению, снижению их орбиты и нарушению работы», — добавляет Максим Симакин.

Прогнозы и наука

«Примета о том, что жаркое лето предвещает морозную зиму, не имеет научного обоснования. Современные исследования показывают, что между температурой летом и зимой нет значимой корреляции, позволяющей с уверенностью прогнозировать зимние условия на основе летней погоды», — считает Максим Симакин.

По словам эксперта ПНИПУ за последние 5-10 лет процесс прогнозирования погоды значительно изменился и усовершенствовался благодаря ряду технологических и научных достижений. Современные модели становятся все более сложными и точными, благодаря улучшению физического представления атмосферы, увеличению разрешающей способности моделей и более мощным вычислительным ресурсам.

Машинное обучение и искусственный интеллект уже используются для улучшения погодных предсказаний, и их роль будет только возрастать. В копилку также можно добавить использование дронов для сбора данных в труднодоступных районах и на большой высоте.