Метеорологический прогноз

28

Тема «Метеорологический прогноз»

Содержание

Введение

Служба погоды

Синоптический анализ и прогноз

Прогнозирование текущей погоды

Долгосрочные прогнозы

Предсказание в масштабах от сезона до межгодового

Перспективная оценка будущего климата

Многоходовая метеоклиматическая программа

Заключение

Литература

Введение

Национальные метеорологические и гидрологические службы выпускают ежегодно десятки миллионов прогнозов погоды. Огромный опыт вместе с надежным комплектом данных об оценке точности, означает, что во многих случаях неопределенность в прогнозах погоды хорошо известна, а во многих случаях хорошо объяснима. Так, например, улучшенное предсказание путей движения тропических циклонов позволило сберечь множество жизней во всех бассейнах, находящихся под угрозой этих циклонов. За последние несколько десятилетий благодаря улучшенным средствам наблюдений, возрастающему научному пониманию и более современным и сложным численным моделям, восприятие населением прогнозирования погоды постепенно сменилось от прогнозов, которые сообщество воспринимало таким образом, что они всегда неправильны, на идею о том, что прогнозы, предположительно, правильны. В самом деле, прогнозы на трое суток для приземного давления настолько же хороши, как прогнозы на сутки, которые выдавались 20 лет назад, что является величайшим научным достижением. Несмотря на эти успехи, в прогнозах еще остается некая неопределенность; и стопроцентный успех не будет достигнут никогда в жизни.

Изменение атмосферы, а отсюда и погоды, определяют динамические и физические процессы, протекающие в атмосфере, а также взаимодействия с примыкающей средой (например, поверхности суши, океана и льда). Научно обоснованные прогнозы погоды возможны лишь в случае, если процессы достаточно понятны, а текущее состояние атмосферы достаточно известно, для подготовки прогнозов будущих состояний. Прогнозы погоды подготавливаются с использованием в основном систематического подхода, включающегося наблюдения и усвоение данных, процесс понимания, предсказания и распространения, каждой из этих компонент используются достижения науки и техники.

За последние несколько десятилетий, благодаря значительным достижениям в науке, появились улучшенные и более эффективные методы для проведения наблюдений и своевременного сбора данных от большого ряда источников, включающих радиолокаторы и спутники. Использование данных этих наблюдений в научно обоснованных методах привело к значительному повышению качества прогнозов погоды, и в результате этого люди во всем мире стали полагаться на прогнозы погоды в качестве ценного вклада во многие процессы принятия решений.

Наиболее емкий сектор потребления специализированной гидрометинформации составляет авиация. Динамично развивается гидрометинформация морских отраслей, увеличиваются объемы обслуживания морских грузовых и пассажирских перевозок. Традиционно большим спросом пользуется гидрометинформация в аграрном секторе и дорожном хозяйстве. Предприятиям агропромышленного комплекса выдается специализированная информация, позволяющая выбрать оптимальные сроки посева и уборки сельскохозяйственных культур, структуру посевных площадей, а также провести ряд других мероприятий, способствующих повышению урожайности. Гидрометинформация, предоставляемая дорожным службам, обеспечивает оптимальное распределение сил и средств при эксплуатации дорог, способствует снижению аварийности. На основании полученной гидрометинформации, предприятия коммунального хозяйства обеспечивают бесперебойную работу городского транспорта, выбирают наиболее экономичный режим теплоснабжения зданий. Экспертные оценки показывают, что использование специализированной гидрометинформации при принятии хозяйственных решений позволяют снизить ущербы, связанные с погодными явлениями. Наибольшим спросом пользуются прогнозы погоды на 1-3 суток и первичная информация. Все более востребованной становится климатическая информация. Повышается интерес к информации о загрязнении природной среды и гидрологической информации. Совершенствуются формы и методы предоставления информации потребителям. Внедряются новые технологии обслуживания потребителей, например, с применением сети Шегпес или через операторов мобильной связи.

Служба погоды

Непрерывно происходящие изменения в состоянии погоды связаны в первую очередь с процессами общей циркуляции атмосферы. Смена дня и ночи вносит в погоду достаточно простые и регулярные изменения в виде суточного хода метеорологических элементов или в виде смены бризов и т. п. Но резкие и нерегулярные изменения, гораздо более характерные для погоды, являются результатом смены воздушных масс, прохождения разделяющих их фронтов, перемещения и эволюции циклонов и антициклонов. В тропиках эти изменения значительно меньше, чем во внутритропических широтах, потому что условия атмосферной циркуляции там более устойчивы и циклоническая деятельность слабее. В связи с такой обусловленностью изменений погоды, в течение последнего столетия возникла так называемая служба погоды. В задачи ее входит своевременная информация населения, административных и хозяйственных организаций о существующих условиях погоды и предсказание условий погоды на будущее время.

Материальная база службы погоды состоит, во-первых, из сети синоптических станций, т. е. метеорологических станций, срочно передающих свои одновременные наблюдения в центры службы погоды. До 1920-х годов почти единственным средством связи при этом служил телеграф; в настоящее время основное значение для службы погоды имеет радиосвязь. С помощью радиосвязи удалось распространить действие службы погоды фактически на весь Земной шар. Однако до сих пор многие районы охвачены ею еще неудовлетворительно, в особенности океанические районы южного полушария.

В подавляющем большинстве государств мира существуют центральные, а в больших странах также и областные учреждения службы погоды; чаще всего их называют бюро погоды. Небольшие учреждения такого рода существуют также при аэропортах, в морских портах и т. д. Служба погоды России возглавляется Гидрометеорологическим центром России в Москве.

Современные метеорологические технологии, а также исследования и практические методы климатологии включают в свой арсенал обработку спутниковой информации (детекция протон-электронных околоземных облаков - т.н. «солнечного ветра», вызывающего явления «северного сияния» в полярных широтах; оптическое - от инфракрасного до ультрафиолетового, - и широкодиапазонное радиосканирование атмосферы и поверхности Земли), обработку информации от маловысотных (до границ стратосферы: 50-80 км) привязных и дрейфующих радиозондов, оптических и акустических аппаратов (на метеошарах и стратостатах), информации от специальных авиасредств (бортовая и наземная обработка) и одноразовых метеоракет, а также информации от наземных средств оптического, акустического и радионаблюдения.

Наземная сеть метеонаблюдений образована системой национальных и международных метеопостов, оборудованных, в том числе, специальными радиофизическими приборами наблюдения и средствами компьютерной обработки метеоданных. Основным источником информации о состоянии атмосферы, как и полвека назад, являются наземные (синоптические) метеостанции -- их сейчас около 10 000 в мире, 8 500 на Северном полушарии; и станции аэрологические: 600 и 500, соответственно; имеется тенденция к уменьшению). Покрытие данными весьма неоднородно: территория Европы, Китая и Сев. Америки в наилучшем положении. 2/3 земной поверхности составляет океан. Здесь имеется лишь несколько островных станций и кораблей погоды. Обычные корабли часто измеряют и передают данные о температуре, давлении и ветре. Эта часть наблюдений называется конвенциональными. Наибольший объем наблюдений и, соответственно, большая часть метеоданных и значительная часть долговременных климатических параметров относятся к оперативной характеристике состояния ближней атмосферы: температуре, давлению, влажности, градиенту смещения воздушных масс, наличию и динамике турбулентностей/вихрей и воздушных неоднородностей-«линз». Значительная часть радионаблюдений выполняется в ДВ-УКВ - диапазоне; эти наблюдения относятся к локальной оценке влажности в атмосфере, к состоянию облачности (по наличию «окон» в облачных слоях) и составу облаков (дождь-снег-град), к наблюдениям пылевых и вихревых (опасность торнадо) концентраций, к динамике смещения воздушных потоков на разных высотах (пеленгом радиозондов и наблюдением за дрейфом радио-контрастирующих веществ, специально распыляемых в атмосфере на заданных высотах) и т.д. Радиофизические принципы наблюдения перечисленных метеофеноменов основаны на разнице измеримых значений электрической (или магнитной) проницаемости среды, на изменении уровня калиброванных сигналов в направлении объекта - на эффектах прямого отражения, поглощения и вторичного отражения от ионосферы, на измерении собственной электрической активности (фон) метеорологических неоднородностей, фазовых сдвигов эталонных сигналов при отражении, на использовании допплеровского эффекта и т.п. Штатные наземные метеопосты по необходимости оборудованы радиосредствами, - в том числе мегаапертурными - с большой базой, специализированными антенными (антенно-фидерными) комплексами для изотропной и направленной детекции сигналов ДВ-УКВ - диапазонов.

В рамках Всемирной службы погоды особое внимание уделяется организации наблюдений с метеорологических спутников. Данные со спутников NASA позволяют сделать метеорологические прогнозы более точными. Информация с них будет использоваться для составления трехсуточных прогнозов погоды на прибрежные зоны США с применением синоптических моделей и данных с метеостанций, расположенных в открытом море. Система выдает трехмерную модель состояния поверхности океана с параметрами температуры, солености и течений. При этом используются данные сенсора Quikscat со спутника NАSА SeaWinds; уровень океанских вод с учетом высоты волн; а также температура поверхностного слоя океана. В периоды значительного облачного покрытия предусмотрено выполнение аэросъемки с применением различных сенсоров и носителей, которые имеются в распоряжении ВМС США. Полученные таким образом данные используются для создания пространственных синоптических моделей, которые будут применяться для оперативного составления метеосводок и их оперативной корректировки, а также для планирования наблюдений на морских и наземных метеостанциях.

Измеряя с помощью бортовой аппаратуры спутника параметры излучения тепла различных слоев атмосферы, можно получить богатый материал для изучения происходящих в ней процессов. Кроме того, спутник может служить хорошим средством для сбора информации с наземных метеорологических пунктов, разбросанных по всему земному шару. За время одного оборота вокруг Земли спутник собирает данные, которые в 100 раз превышают информацию, поступающую со всех метеорологических станций, и, кроме того, дает сведения о погоде на той части поверхности земного шара, которая является «белым пятном» для метеорологов. Качество этих данных в настоящее время уступает аэрологическим данным, однако прогресс в этом направлении имеется. Поскольку таких данных много, несколько близких наблюдений усредняются в одно. Покрытие спутниковыми данными более однородно. Между ошибками наблюдений с одного участка орбиты имеется сильная корреляция. Эти наблюдения называются неконвенциональными. Они наиболее важны там, где нет аэрологических станций. Обнаружение тайфунов и ураганов с помощью спутников стало обычным явлением. Так были обнаружены ураганы «Бэтси», «Эстер», тайфуны «Ненси», «Памела», которые наносят огромные убытки хозяйству. Например, ураган «Агнес», обрушившийся на восточную часть США 20--23 июня 1972 г., унес 118 жизней, а причиненный им материальный ущерб оценивается в три с лишним миллиарда долларов. Объем осадков, выпавших на сушу во время урагана, составил около 100 куб. км.

Гидрометцентром России разработана и реализована компьютерная программа на основе глобальной модели атмосферы. Эта модель представляет собой неоднородную сетку со сгущением в нижних слоях, около поверхности земли. С ее помощью можно рассчитать погоду через промежуток в 6 часов; заблаговременность прогнозов от 12 до 240 ч. В параметры модели входят следующие метеорологический элементы:

* давления на уровне моря (p0, мбар);

* температура воздуха (T,°С);

* относительной влажности воздуха (R, %);

* зональная и меридиональная составляющие скорости ветра (V, м/с);

* аналог вертикальной скорости (гПа/12ч);

* среднее количество осадков (мм/12 ч);

рис.1

Синоптический анализ и прогноз

Метеорологические сведения передаются со станций в центры службы погоды, зашифрованные с помощью особых цифровых кодов. Сроки и волны радиопередач согласованы в международном порядке. В учреждениях службы погоды эти сведения наносятся цифрами и условными знаками на синоптические карты погоды. Такие карты составляются 4 раза в сутки и чаще, за каждый срок наблюдений на станциях.

В настоящее время, когда синоптические карты, на которые наносятся данные тысяч станций, могут охватывать все полушарие и даже весь Земной шар и когда, кроме приземных карт, составляются также и высотные карты (барической топографии и др.), объем этой систематизированной информации об атмосферных условиях очень велик. В целях экономии усилий и средств в последнее время переходят на централизованную систему составления и анализа синоптических карт в немногих центрах, откуда карты распространяются путем факсимильной передачи по проводам или по радио в органы службы погоды на местах. Прием синоптических карт по радио возможен и в воздухе, и на судах в открытом океане.

Приземные синоптические карты. На территории США каждый час (в некоторых странах - реже) проводятся наблюдения за погодой. Характеризуется облачность (плотность, высота и вид); снимаются показания барометров, к которым вводятся поправки для приведения полученных величин к уровню моря; фиксируются направление и скорость ветра; измеряются количество жидких или твердых осадков и температура воздуха и почвы (в срок наблюдения, максимальная и минимальная); определяется влажность воздуха; тщательно фиксируются условия видимости и все прочие атмосферные явления (например, гроза, туман, дымка и т.п.).

Каждый наблюдатель затем кодирует и передает информацию по Международному метеорологическому коду. Поскольку эта процедура стандартизирована Всемирной метеорологической организацией, такие данные могут быть легко расшифрованы в любом районе мира. Кодирование занимает около 20 минут, после чего сообщения передаются в центры сбора информации, и происходит международный обмен данными. Затем результаты наблюдений (в виде цифр и условных знаков) наносятся на контурную карту, на которой точками указаны метеорологические станции. Таким образом, синоптик получает представление о погодных условиях в пределах крупного географического региона. Общая картина становится еще более наглядной после соединения точек, в которых зафиксировано одинаковое давление, плавными сплошными линиями - изобарами и нанесения границ между разными воздушными массами (атмосферных фронтов). Выделяются также районы с высоким или низким давлением. Карта станет еще более выразительной, если закрасить или заштриховать территории, над которыми в момент наблюдений выпадали осадки.

Синоптические карты приземного слоя атмосферы являются одним из основных инструментов прогноза погоды. Специалист, разрабатывающий прогноз, сравнивает серии синоптических карт на разные моменты наблюдений и изучает динамику барических систем, отмечая изменения температуры и влажности внутри воздушных масс по мере их перемещения над различными типами подстилающей поверхности.

Высотные синоптические карты. Облака перемещаются воздушными течениями обычно на значительных высотах над земной поверхностью. Поэтому для метеоролога важно располагать надежными данными для многих уровней атмосферы. На основании данных, полученных при помощи метеозондов, самолетов и спутников, составляются карты погоды для пяти высотных уровней. Эти карты передаются в синоптические центры.

Анализ синоптических карт (и разных других вспомогательных материалов, как аэрологические диаграммы, вертикальные разрезы и пр.) состоит в следующем. По сведениям, нанесенным на карту, устанавливается фактическое состояние атмосферы в момент наблюдений: распределение и характер воздушных масс и фронтов, расположение и свойства атмосферных возмущений, а, кроме того, расположение и характер облачности и осадков, распределение температуры и пр. в связи с этими условиями атмосферной циркуляции. Между прочим, атмосферные возмущения, фронты и воздушные массы, изучаемые с помощью синоптических карт, называются синоптическими объектами. Составляя карты от срока к сроку, можно следить по ним за изменениями состояния атмосферы, в частности за перемещением и эволюцией атмосферных возмущений, перемещением, трансформацией и взаимодействием воздушных масс и пр. Представление атмосферных условий на синоптических картах дает удобную возможность и для информации о состоянии погоды.

Как же делается численный прогноз? Коротко опишем алгоритм прогноза:

1. Измеренные данные контролируются:

а) отбрасываются чрезмерно большие или малые значения (например, ветер со скоростью 200 м/сек, отрицательный угол его направления, отрицательная влажность и т.п.);

б) значения сравниваются с результатом в предыдущий момент измерения в этом месте и в тот же момент, но в ближайших точках измерения;

в) проверяется выполнение некоторых соотношений, -- например, температура и высота как функции давления как независимого переменного связаны уравнением гидростатики;

г) значения не должны слишком (конкретные значения оцениваются статистически) отклоняться от значений предыдущего прогноза на срок измерения. Программа комплексного контроля проверяет неувязки во всех частных контролях, а затем принимает решение об ошибочности или верности данного измерения.

Системы усвоения метеорологической информации используют разнообразные данные от самых разнообразных наблюдательных приборов и должны быстро их проверить и согласовать между собой.

2. Проконтролированные данные интерполируются в правильную сетку точек на поверхности Земли (или ее части, если прогноз предполагается давать региональный, а не глобальный). При этой интерполяции следует учесть статистические характеристики, как реальных метеорологических полей, так и полей предыдущего прогноза на момент данного объективного анализа -- так по традиции называют задачу интерполяции.

3. Данные в геометрически правильной сетке используются в качестве начальных для системы уравнений в частных производных, описывающих динамику атмосферы. Это уравнения газовой динамики, в которые добавлены различные физические эффекты, не наблюдаемые в идеальном газе. Учитывается вращение Земли, ускорение силы тяжести, солнечная и отраженная от поверхности Земли радиация, фазовые переходы воды и т.д.

Главная и более трудная задача состоит в прогнозе ожидаемых изменений погоды, прежде всего на короткий срок вперед (на 1-2 суток). Кратко можно сказать, что эта задача сводится, во-первых, к определению, как в следующие несколько десятков часов должны будут переместиться и измениться синоптические объекты - атмосферные возмущения, фронты и воздушные массы. Это так называемый прогноз синоптического положения. Затем делают заключения о том, как в связи с этими перемещениями и изменениями должны меняться условия погоды в рассматриваемом районе.

Именно последнее нужно потребителю прогнозов. При прогнозе синоптического положения приходится пользоваться, прежде всего, экстраполяцией во времени, т. е. предполагать, что на некоторый промежуток времени атмосферные процессы будут происходить с теми же скоростями или ускорениями, с какими происходили до сих пор. Это, конечно, грубый прием, могущий привести к большим ошибкам, но в большинстве случаев применяемый с достаточным успехом. Он уточняется с помощью использования тех связей между атмосферными процессами, которые установлены эмпирически за много лет анализа синоптических карт или которые вытекают из законов динамики и термодинамики атмосферы. Связи эти применяются преимущественно качественно, что более или менее обеспечивает правильный прогноз направления процесса, но может приводить к ошибкам в определении темпа и интенсивности процессов.

О погоде, связанной с будущим положением и свойствами возмущений, масс и фронтов, судят по фактическим свойствам этих синоптических объектов, учитывая опять-таки возможное изменение этих свойств.

При всей простоте приемов синоптического анализа их применение представляет собой нелегкую задачу и требует большого практического опыта у прогнозиста (синоптика). От ошибок, иногда даже грубых, современные краткосрочные прогнозы погоды не свободны. Однако, в общем, качество прогнозов оказывается удовлетворительным для многих потребностей практики, в особенности для обеспечения действий авиации. Без регулярного синоптического обслуживания современная авиация работать не может. Есть и ряд других областей хозяйства, для которых получение прогнозов погоды необходимо. Средства, затрачиваемые на службу погоды, во много раз перекрываются теми выгодами, которые она приносит.

Идеальный прогноз должен оправдываться по всем параметрам. Установить причину ошибок в прогнозе сложно. Метеорологи считают прогноз оправдавшимся, если его ошибка меньше, чем предсказание погоды с применением одного из двух методов, не требующих специальных познаний в области метеорологии. Первый из них, называющийся инерционным, допускает, что характер погоды не изменится. Второй метод исходит из того, что характеристики погоды будут соответствовать средним месячным на данное число.

Продолжительность срока, в течение которого прогноз оправдывается (т.е. дает лучший результат, чем один из двух названных подходов), зависит не только от качества наблюдений, математического аппарата, вычислительной техники, но также и от масштаба прогнозируемого метеорологического явления. Вообще говоря, чем крупнее явление погоды, тем на более длительный срок его можно прогнозировать. Например, часто степень развития и пути движения циклонов можно прогнозировать на несколько дней вперед, но поведение конкретного кучевого облака может быть предсказано не более чем на ближайший час. Эти ограничения, по-видимому, обусловлены особенностями атмосферы и не могут быть пока преодолены с помощью более тщательных наблюдений или более точных уравнений.

Атмосферные процессы развиваются хаотически. Это означает, что для прогноза различных явлений в разном пространственно-временном масштабе необходимы разные подходы, в частности, для прогноза поведения крупных циклонов умеренных широт и локальных сильных гроз, а также для долгосрочных прогнозов. Например, прогноз давления воздуха на сутки в приземном слое является почти таким же точным, как измерения с помощью метеозондов, по которым его проверяли. И наоборот, трудно дать детальный трехчасовой прогноз перемещения линии шквалов - полосы интенсивных осадков перед холодным фронтом и в целом параллельно ему, в пределах которой могут зарождаться смерчи. Метеорологи пока могут только предварительно выделять обширные районы возможного возникновения линий шквалов. Когда они зафиксированы на космическом снимке или при помощи радиолокатора, их продвижение можно экстраполировать только на один-два часа, и поэтому важно своевременно довести сводку погоды до населения. Предсказание неблагоприятных кратковременных метеорологических явлений (шквалов, града, смерчей и пр.) называется срочным прогнозом. Разрабатываются компьютерные методики прогнозирования этих опасных явлений погоды.

Возможности улучшения прогнозов погоды в настоящее время видят в изыскании и введении в службу погоды вычислительных методов прогноза. Такие методы сводятся к численному интегрированию по времени (с помощью электронных вычислительных машин) уравнений динамики и термодинамики атмосферы, в которые подставляются начальные значения атмосферных условий в ряде точек, взятые из наблюдений. Работа в этом направлении ведется очень интенсивно. Правда, разработанные до сих пор методы, относятся преимущественно лишь к предвычислению барического поля. Переход от барического поля к погоде приходится производить еще прежними, качественными способами. Даже в предвычислении барического поля пока не достигнуто решающих практических успехов: удачность прогнозов остается того же порядка, что и удачность прогнозов обычными синоптическими методами. Объясняется это исключительной сложностью атмосферных процессов для математической формулировки задачи.

Состояние атмосферы и закономерности атмосферных процессов в вычислительных схемах приходится упрощать, что, конечно, отражается на соответствии результатов вычисления действительности. Однако можно надеяться, что в недалеком будущем задача вычислительного прогноза, и не только для барического поля, будет решена с точностью, удовлетворяющей потребностям практики.

Прогнозирование текущей погоды

Прогнозирование текущей погоды: прогнозы в пределах от 0 и вплоть до 6-12 часов основываются на более интенсивном, с точки зрения наблюдений подходе, и называются как прогнозы текущей погоды. Традиционно прогнозирование текущей погоды концентрируется на анализе и экстраполяции наблюдаемых метеорологических полей с особым упором на мезомасштабные поля облаков и осадков, полученных по данным спутников и радиолокаторов. Прогностическая продукция текущей погоды особенно ценна в случае мезомасштабных неблагоприятных условий погоды, связанных с сильной конвекцией и интенсивными циклонами. В случае с тропическими циклонами, прогнозирование текущей погоды является важным подходом для обнаружения и последующего краткосрочного предсказания, которое обеспечивает действительность прогноза в некоторых случаях свыше 24 часов. Однако временной темп изменения этих явлений является таковым, что простая экстраполяция важных значительных характеристик приводит к тому, что продукция очень быстро ухудшается со временем, даже во временных масштабах порядка одного часа. Поэтому разрабатываются методы, которые сочетают методы экстраполяции с численным прогнозированием погоды, при этом как за счет смешения двух видов продукции, так и с помощью улучшенной ассимиляции подробных мезомасштабных наблюдений. Это изначально очень трудная задача и, несмотря на точность и конкретность, которые будут улучшаться в предстоящие годы, эти виды продукции всегда будут связаны с неопределенностью, касающейся конкретного местоположения, времени и суровости метеорологических явлений, таких как грозовые и градовые ливни, торнадо и нисходящие порывы.

Долгосрочные прогнозы

Еще сложнее задача долгосрочных прогнозов погоды - на декаду, месяц, сезон вперед. Степень точности здесь неизбежно ниже, чем в прогнозах краткосрочных. Рациональная постановка задачи долгосрочного прогноза должна сводиться к определению каких-то общих характеристик погоды будущего: степени зональности или меридиональности циркуляции, средних месячных температур, отклонений осадков от нормы, самых общих черт в ходе температуры и т. д. Вряд ли когда-либо люди достигнут возможности ответить на вопрос: будет ли в таком-то месте дождь такого-то числа в будущем месяце? Сложный комплекс условий, которые будут определять такой дождь или его отсутствие, часто нельзя предвидеть даже накануне; тем более невозможно это сделать за долгое время вперед. Но и задача определения общих характеристик погоды на долгое время вперед еще далека от удовлетворительного разрешения. Анализ ежедневных синоптических карт уже не подходит для этой цели; приходится прибегать к способам обобщенного представления атмосферных условий, как сборные или средние карты за те или иные периоды времени. Попытки применения для долгосрочных прогнозов таких приемов, как учет инерции в ходе атмосферных процессов (т. е. сохранения знака аномалии погоды на некоторое время вперед), приводили к самым ограниченным успехам. Ограниченные результаты дали и многочисленные определения корреляционных связей между ходом метеорологических элементов в разных местах и в разные периоды года, а также и попытки изыскания периодов и ритмов в ходе атмосферных процессов на значительных отрезках времени.

Поскольку турбулентная природа атмосферы ограничивает возможности предсказания погоды на большой территории примерным сроком до двух недель, прогноз на более продолжительное время должен основываться на факторах, которые предсказуемым образом воздействуют на атмосферу и при этом сами будут известны более чем за две недели. Одним из таких факторов является температура поверхности океана, которая медленно меняется в течение недель и месяцев, влияет на синоптические процессы и может быть использована для выявления районов с аномальными температурами и количеством осадков. Проводится сопоставление атмосферных процессов с процессами в мировом океане, поскольку между двумя этими сферами Земли происходит взаимный обмен теплом и влагой.

Более плодотворным и распространенным является прием подбора аналогов, исходящий из предположения, что за сходными начальными условиями в разных случаях следует сходное дальнейшее развитие. Однако таким предположением следует пользоваться с очень большой осторожностью, потому что уже небольшие различия в начальных условиях могут совершенно изменить весь дальнейший ход процессов.

Представляется перспективным сопоставление атмосферных процессов с солнечной активностью, т. е. с явлениями, происходящими на поверхности Солнца (пятна и др.). Связи между атмосферными процессами и солнечной активностью, несомненно, существуют, хотя они известны еще далеко не до конца и мало объяснены. Поскольку в солнечных процессах обнаруживается определенная цикличность, и они предшествуют определенным изменениям в атмосфере, это может быть использовано в целях долгосрочного прогноза погоды. Но и на этом пути достижений еще немного. Есть попытки и вычислительных долгосрочных прогнозов на базе уравнений гидродинамики, не получившие еще практического значения.

Прогнозы с заблаговременностью, превышающей несколько часов, почти всегда полностью основываются на численном прогнозировании погоды (ЧПП). В действительности, большую часть улучшений в оправдываемости прогнозов погоды за последние 20 лет можно отнести за счет компьютерных моделей ЧПП, которые строятся с использованием уравнений, описывающих динамическое и физическое изменение атмосферы. Модели ЧПП представляют атмосферу на трехмерной сетке, при этом оперативные системы в 2001 г. используют горизонтальное пространственное разрешение в 50-100 км для крупномасштабного прогнозирования, и 5-40 км -- для прогнозирования по ограниченному району в мезомасштабе. С поступлением более мощных компьютеров это представление улучшится. Точно могут предсказываться только метеорологические системы, которые в несколько раз превышают шаг сетки, и поэтому явления в меньших масштабах должны представляться в приближенном виде с использованием статистических и других методов. Эти ограничения в моделях ЧПП оказывают особое влияние на подробные прогнозы местных элементов погоды, такие как облачность и туман, а также экстремальные явления, такие как интенсивные осадки и пиковые порывы.

На поиски рациональных методов долгосрочных прогнозов направлены сейчас энергичные усилия; это важнейшая практическая задача метеорологии, ждущая разрешения. Пока оправдываемость прогнозов не слишком значительно превышает случайные совпадения. Для характеристики и изучения многих атмосферных явлений, а также для прогноза погоды необходимо одновременно проводить различные наблюдения во множестве пунктов и фиксировать полученные данные на картах. В метеорологии обычно применяется т.н. синоптический метод.

Предсказание в масштабах от сезона до межгодового

За пределами двух недель обычные недельные подробные прогнозы погоды имеют очень низкий уровень успешности, но обычные месячные прогнозы с использованием численного прогнозирования погоды с предсказанными аномалиями температуры поверхности моря все еще имеют значительную успешность для некоторых регионов и сезонов в пределах нескольких месяцев. При сезонном временном масштабе подробные прогнозы метеорологических явлений или последовательностей метеорологических образований невозможны. Неупорядоченный характер поведения атмосферы устанавливает фундаментальное ограничение порядка двух недель для предсказаний, связанных с быстрым возрастанием ошибок исходного условия, возникающих из несовершенных и неполных наблюдений. Тем не менее, в ограниченном плане некая предсказуемость проявляется с более длительными сроками заблаговременности вплоть до нескольких сезонов. Это происходит в связи с взаимодействиями между атмосферой, океанами и поверхностью суши, которые становятся важными в сезонных временных масштабах.

Свойственные временные масштабы изменчивости, как для поверхности суши, так и для океанов, являются более длительными по сравнению с временными масштабами изменчивости атмосферы, частично вследствие сравнительно большой термальной инерции. Океанские волны и течения являются медленными, по сравнению с их атмосферными контрагентами, ввиду большой разницы в структуре плотности. Поскольку атмосфера связана с условиями океана и поверхности суши, то степень предсказуемости может быть перенесена на атмосферу в сезонных временных масштабах. Известно, что такое взаимодействие существует особенно в зоне тропиков, где характер атмосферной конвекции в конечном итоге является важным для характера погоды в глобальном масштабе и довольно тесно связан с колебаниями температуры поверхности океана. Наиболее важным примером такого взаимодействия является явление Эль-Ниньо - Южное колебание, которое приводит к значительным сдвигам в глобальном климате с интервалами в пределах от 2 до 7 лет.

Характер предсказуемости в климате в сезонных временных масштабах следует понимать в вероятностных выражениях. Это не точная последовательность погоды, которая имеет предсказуемость с большой временной заблаговременностью (сезон или более), но скорее некоторые аспекты статистических данных о погоде, например средняя или колебание температуры/осадков за сезон, которые имеют потенциальную предсказуемость. Хотя погода в любой определенный день совершенно неопределенна в долгосрочном плане, устойчивое влияние медленно изменяющихся условий поверхности могут изменить шансы для конкретного типа погоды, происходящей в этот день.

В настоящее время сезонные предсказания подготавливаются с использованием, как статистических схем, так и динамических моделей. Статистический подход стремится к обнаружению повторяющихся схем в климате, связанных, например, с температурой поверхности моря. Такие модели продемонстрировали оправдываемость при прогнозировании Эль-Ниньо и некоторых из его глобальных климатических последствий. Основными инструментами для динамического прогнозирования являются совмещенные модели - модели, которые включают как атмосферу, так и другие важные среды, особенно океан. Проблема неопределенности решается с использованием группового подхода, при котором модель климата прогоняется множество раз с несколько разными исходными условиями (в пределах ошибок наблюдения или ошибок выборочного обследования). Отсюда получают распределение результатов, по которым можно рассчитать данные о климате. Недавно получены обещающие результаты по групповой продукции, при которой объединялись несколько моделей. Но большинство из моделей демонстрирует несколько серьезных постоянных систематических ошибок, которые неизбежно снижают уровень оправдываемости прогноза. Наличие данных является ограничением, как для статистических моделей, так и для динамических моделей. В последнем случае весьма ограниченная информация имеется для большей части глобального океана и для условий поверхности суши.

Перспективная оценка будущего климата

Как объяснялось выше, основываясь на текущем наблюдении за состоянием атмосферы, предсказание погоды может предоставить подробную метеорологическую информацию по конкретному месту и времени во временных масштабах порядка двух недель. Как оказалось, существует некая предсказуемость аномалий температуры и осадков на более длительные сроки вплоть до нескольких сезонов. Это происходит за счет взаимодействий между атмосферой, океанами и поверхностью суши, которые становятся важными в масштабах сезона. Однако долгосрочные изменения в системе земля-атмосфера в климатических временных масштабах (десятилетия-столетия) зависят от факторов, которые изменяют баланс входящей и уходящей энергии в системе земля-атмосфера. Эти факторы могут быть естественными (например, изменения в солнечной мощности излучение или вулканы) или антропогенными (например, увеличение массы парниковых газов). Поскольку моделирование возможных будущих состояний климата зависит от предписанных сценариев этих факторов, то более точно их называют как «перспективные оценки», а не «предсказания» или «прогнозы».

Для того чтобы выполнять перспективные оценки климата, требуются модели климата, основывающиеся на физических процессах, с тем, чтобы представлять тонкие механизмы обратной связи, которые являются важнейшими во временных масштабах климата. Физические процессы и обратные механизмы связи, которые не являются важными в ЧПП, или даже во временных масштабах сезонного предсказания становятся важными при попытке моделировать климат на длительные периоды, например, взаимодействие между облачностью и радиацией и механизмы обратной связи, механизм обратной связи водяного пара, динамика и процессы океана. Обработка этих ключевых свойств очень важна для того, чтобы воспроизводить многие аспекты климата реалистично, хотя остается много неопределенностей, связанных с облачностью и аэрозолями и их радиационными воздействиями и многими океанским процессами.

Понимание основных климатических процессов (например, таких как включение динамики морского льда и более реалистичный перенос океанского тепла) за последние несколько лет заметно улучшилось. В настоящее время многие модели позволяют удовлетворительно моделировать климат без необходимости применения нефизических поправок потоков тепла и воды при взаимодействии океана и атмосферы, используемых в моделях раннего периода. Более того, моделирование, которое включает оценку природного и антропогенного воздействия, вполне в состоянии воспроизвести изменения, произошедшие в приземной температуре за двадцатое столетие. Эта крупномасштабная согласованность между моделями и наблюдениями ведет к уверенности в оценках темпов потепления, рассчитанных на следующий век. Моделирование естественной изменчивости, например, Эль-Ниньо, циркуляции муссона, североатлантическое колебание также улучшилось. Одним из факторов, которые ограничивают уверенность в перспективной оценке изменения климата, является неопределенность внешнего воздействия (например, в предсказании будущей концентрации атмосферной двуокиси углерода и других парниковых газов и аэрозольных нагрузок).

Многоходовая метеоклиматическая программа.

Несмотря на уже имеющийся мощный научный задел в метеорологии и в климатологических исследованиях и даже вопреки колоссальным затратам на организацию технологической базы для решения текущих метеорологических задач, - реальные результаты краткосрочного и сезонного метеопрогнозирования для локальных областей и масштабных регионов, - все еще недостаточны. Катастрофические погодно-климатические изменения (рекордные дожди, обвальные снегопады, резкие и глубокие перепады давления и температуры, тайфуны, торнадо и т.п.) стали повседневной и непредсказуемой опасностью для наиболее плотно заселенных регионов Европы, Азии, Африки и Америки. Впервые за исторически обозримое время погодные катастрофы стали прямой угрозой для больших городов, для транспортной и энергетической инфраструктуры обширных национальных территорий, для выживания городского и сельского населения, стали катализатором необратимых потерь среди местной флоры и фауны.

Специалисты-метеорологи считают все происходящее следствием глобального потепления - в том числе по техногенным причинам, - и, соответственно, результатом разбалансировки связанных тепломассобменных метеопроцессов. По мнению специалистов, адаптация общества к новым метеоусловиям произойдет в длительной многоходовой программе.

На первом этапе должна быть предельно усилена технология сбора и накопления метеоданных. Параллельно должны быть развиты мощные математические методы адекватного моделирования метеопроцессов, ориентированные на компьютерное исполнение.

На втором этапе программы, даже без научной полноты теории - в режиме «черного ящика», - в метеотехнологии проявится возможность предсказывать изменения климата.

Параллельно с научным уточнением, на третьем этапе программы в метеотехнологию будут внедрены более мощные и, безусловно, более точные инженерные методы наблюдений и прогнозирования.

На четвертом - завершающем этапе программы, с уровня достигнутой решающей полноты научных знаний, - с необходимостью проявятся принципиально новые технические возможности безопасного управления погодой и климатом - в целом.

Ясно, что без стартового усиления технологии сбора и накопления метеоданных все последующие этапы стратегической метеоклиматической программы невыполнимы: плановые результаты первого этапа могут быть достигнуты только с расширением сети наблюдательных метеопостов, с усилением их радио-оснащения и с подключением к обработке массивов накопленных данных больших вычислительных мощностей - адекватной математики и сетевых средств распределенных компьютерных вычислений. Международные метеоклиматические программы (ООН, ЕС), а также программы некоторых региональных объединений (к примеру: Японии, Китая, Малайзии и Южной Кореи, - в рамках южно-азиатской метеоклиматической программы штормового мониторинга и других задач) и отдельных стран уже сейчас предусматривают резкое технологическое усиление действующей системы метеопостов и иной инфраструктуры метеонаблюдений. Предполагается, что усиление технологии будет ориентировано на использование Internet-возможностей, на применение мощных логико-математических пакетов фильтрации, накопления, систематизации и обработки данных, на организацию высокопроизводительных региональных вычислительных центров на базе суперкомпьютеров, связанных с распределением вычислений в Internet, с использованием мобильных и спутниковых средств связи, а также с комплектованием метеопостов современным радиомониторинговым оборудованием, включая специальные изотропные и направленные антенны. При этом специалисты-метеорологи отмечают необходимость развертывания метеопостов конкретно в городских условиях. Эта необходимость особенно резко усиливается для мегаполисов и географически-протяженных (вытянутых) населенных пунктов. Хронологически-близкие погодные катастрофы в Центральной Европе (Германия, Австрия, Чехия, Словакия, Венгрия, - по телевизионным сводкам новостей в течение всего 2003 г.), в США (граничащие с Канадой северные штаты, города Нью-Йорк, Чикаго и Детройт) и в других районах мира, включая Украину (за тот же период), подтверждают особую уязвимость городов перед климатическими факторами и заведомую необходимость погодного мониторинга внутри городского периметра. Однако, действующие технологии радионаблюдения для задач метеорологии и климатологии неприменимы к использованию в городской среде; причем, именно в силу их работы в комплексе со специализированными антеннами, неприспособленными для адресной городской эксплуатации. Инженерным выходом из данного положения представляется использование для «городских» метеопостов суррогатных антенн на ДВ-КВ-диапазоны, в качестве которых могут быть адаптированы действующие в городском периметре строения, инженерные сооружения, различные сети коммуникаций и иные антенные объекты, определенные проектом «AntenNet». Помимо режимов пассивной локации метеофеноменов и сигналов от зондов, специальной авиации и спутников - с помощью таких антенн, - для реального расширения числа решаемых на месте метеоклиматических задач могут быть применены режимы квазиактивной радиолокации с теми же объектами, использующими эффект внешнего облучения метеообъектов опорными частотами действующих в регионе ТВ- и радиовещания и/или несущими частотами местной мобильной связи в КВ/УКВ-диапазонах.

Заключение

Успешность метеорологических прогнозов существенно продвинулась с середины ХХ-го столетия. Это во многом связано с достижениями в вычислительной технике, в наблюдениях и системах телесвязи, а также с развитием моделей численного прогнозирования погоды и связанных с ними методов усвоения данных. Этому во многом способствовали огромный опыт, как прогнозистов, так и лиц, принимающих решения, при подготовке и использовании прогностической продукции. Тем не менее, каждому компоненту в пределах науки и технологии прогнозирования погоды и перспективных оценок присущи свои неопределенности. Некоторые из них связаны с недостатком полного понимания или наследованного ограничения предсказуемости исключительно сложных процессов. Другие все еще связаны с необходимостью дальнейших достижений в методах наблюдений или в вычислительной технике, или с неадекватным переходом от исследований к оперативным работам. И, наконец, нельзя недооценивать важность надлежащей передачи метеорологических прогнозов хорошо подготовленным пользователям.

Несомненно, то, что значительные выгоды будут получены в результате оказания постоянного внимания научным исследованиям и внедрению знаний, полученных от этой работы в практику прогнозирования. Кроме того, признание ограниченности прогнозов погоды и перспективных оценок климата и, когда возможно, оценки степени неопределенности, приведет в конечном итоге к улучшенному использованию прогнозов и другой метеорологической информации лицами, принимающими решения.

Литература

Г.С.Булдовcкий, Г.К.Веселова. Технология автоматизированной оценки успешности краткосрочных и среднесрочных прогнозов погоды. Труды Гидрометцентра России, 2000 - вып.335

В. А. Гордин «Математика, компьютер, прогноз погоды» Л., Гидромтеоиздат, 1991.

А. Д. Коваль, Ю. А. Тюрин «Космос - земле» М.; «Знание» 1989г.

Розинкина И.А., Киктев Д.Б., Пономарева Т.Я., Рузанова И.В. Оперативный выпуск гидродинамических прогнозов по спектральной глобальной модели Гидрометцентра России. Труды Гидрометцентра России-2000 -- вып 334. с.52-68.

А. Х. Хргиан «Очерки развития метеорологии» Л., Гидрометеоиздат, 1959.

Фролов А.В., Важник А.И., Свиренко П.И., Цветков В.И. Глобальная система усвоения данных наблюдений о состоянии атмосферы. Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 2000, 188 с.

Заявление ВМО о научной основе и об ограничениях для прогнозирования погоды и перспективных оценок климата// Комиссия по атмосферным наукам. Тринадцатая сессия. ОСЛО, НОРВЕГИЯ, 12-20 февраля 2002г. КАН-XIII/PINK 8 (19.02.2002 г.)

Приложение проекта «AntenNet» к задачам метеорологии/климатологии // http://antennet.org/meteoklimat.html