Источник https://postnauka.ru/faq/75484

Автор Дарья Гущина, доктор географических наук, профессор кафедры Метеорологии и климатологии МГУ

Как составляют прогноз погоды, почему он не всегда точен и где лучше всего смотреть погоду

На Земле около 8000 метеорологических станций, которые регулярно поставляют оперативную информацию о погоде. Существуют мировые стандарты о порядке и времени проведения наблюдений, а также перечень метеохарактеристик, за которыми проводятся наблюдения: облачность, давление, направление и скорость ветра, температура и влагосодержание воздуха, температура почвы и так далее. Эти данные поступают в мировые центры погоды.

В каждой стране свой центр погоды, хотя не во всех странах хорошо разработаны модели прогнозов. Общепринятых моделей прогнозов погоды четырнадцать. Вся метеоинформация общедоступна ― для этого работает Всемирная метеорологическая организация. То есть все синоптики могут пользоваться данными всех моделей. При этом идеальной модели прогноза пока не существует.

Часть информации о погоде получают со спутника, но он не может измерить всё ― даже температуру спутник определяет не очень точно. Зато спутник хорошо фотографирует облака, благодаря чему мы можем восстановить информацию о направлении и силе ветра. Аппаратура спутника также позволяет восстанавливать вертикальный профиль температуры и влажности воздуха.

Как составляют прогноз погоды

Ошибки в прогнозах погоды бывают и в ближайшее время не исчезнут. Чтобы понять, откуда берутся ошибки, надо разобрать, каким образом составляется прогноз.

У нас есть данные метеонаблюдений. Они поступают в мировые центры погоды, а затем в качестве начальных условий закладываются в модель. Модель ― это сложная система уравнений гидродинамики со многими неизвестными. Допустим, мы хотим получить информацию о каком-то параметре через определенное количество часов — двадцать четыре часа, сорок восемь. Для этого мы берем уравнение, которое описывает этот процесс, и начальные данные о текущем состоянии погоды, то есть данные, которые пришли с метеостанций. Путем решения этих уравнений, интегрируя их по времени, мы получаем значение нужного параметра через определенное время. Далее эти параметры анализируются синоптиками. Модель может подсчитать конкретные характеристики, но обобщить это может только человек.

Метеостанция в Австралии // wikipedia.org

Специалист, анализируя результаты, полученные по расчетам модели, определяет положение и свойства основных синоптических объектов: атмосферных фронтов, атмосферных вихрей ― циклонов и антициклонов, воздушных масс. Он также определяет тенденцию их перемещения, оценивает, как они эволюционируют, и на основании этих данных дает прогноз погоды, который мы потом узнаем, — какая будет температура, давление, ветер в той или иной точке. Это этап переработки модельных данных в прогноз условий погоды.

Ошибки в прогнозах погоды

Для того чтобы получать идеальные значения без ошибок, надо, чтобы начальная информация была непрерывна во времени и пространстве, и до этого метеорологам еще очень далеко. Среднее расстояние на европейской территории России между метеостанциями — 150 километров, в Сибири ― 300, на арктическом побережье еще больше. Поэтому необходимую нам непрерывность данных мы получать не можем. Данные в районах, где нет станций, восстанавливаются при помощи интерполяции, то есть приближенно, и за счет этого возникают ошибки.

Наблюдения проводятся каждые три часа. Далеко не везде есть автоматические метеостанции, и их память не безгранична: данные должен кто-то снимать, отправлять в центр и так далее. Некоторые автоматические метеостанции делают проверку каждые пять секунд, но не могут хранить такой большой объем информации, так что без человеческого присутствия не обойтись. Информацию о погоде сейчас обсчитывают самые мощные суперкомпьютеры, потому что обычные обрабатывали бы прогноз погоды на завтра двое суток.

Схема циркуляции атмосферы вокруг Земли //wikipedia.org

Кроме того, вычислительные модели несовершенны, есть очень много процессов, которые сложно описать уравнениями и которые еще не до конца изучены. Например, процессы в нижнем полуторакилометровом слое атмосферы (пограничном), — это различные процессы, возникающие за счет трения воздуха о земную поверхность, и их сложно полностью описать уравнениями. Для анализа используются такие методы, как параметризация, то есть математическое приближение.

Другой источник ошибок: мы не можем идеально описать с помощью уравнений процессы, которые происходят в атмосфере. Кроме того, эти уравнения нельзя решить аналитически. Если для уравнения x² = 1 мы можем получить точный ответ, то дифференциальные уравнения решаются при помощи численных методов. Нам приходится использовать аппроксимации и приближения, и из-за этого возникают ошибки.

Все описанные ошибки накапливаются во времени. На ближайшие двенадцать часов наша ошибка может быть небольшой, а в прогнозе на семь дней и более она значительно вырастает. Поэтому прогноз более чем на неделю практически бессмысленный, так как величина ошибки станет сравнимой с величиной самого́ прогнозируемого параметра.

Модели прогнозирования

Четырнадцать существующих моделей прогноза погоды глобальные, они дают информацию по всему миру. Но Метеофранс интересует больше погода во Франции, а в Москве основное внимание сконцентрировано на том, что будет в Московской области. И так как на Францию часто идут циклоны с Атлантического океана, то прогноз зарождения этих циклонов будет их волновать больше. Над Москвой циклоны зарождаются редко и приходят в основном из более отдаленных регионов, уже сформировавшись. Поэтому в модели циклонов в Гидрометцентре России больше внимания уделяют процессу перемещения, торможения циклона над континентом, а французы будут уделять этим факторам меньше внимания. Во многих странах, для которых важен горный туризм, развиты прекрасные региональные модели, специализирующиеся на прогнозе условий погоды буквально для каждого склона.

Важное преимущество современных синоптиков в том, что данные прогнозов по всем моделям общедоступны, их можно сравнить между собой и выбрать наиболее вероятные условия или взять нечто среднее. Есть специальный прием: прогнозы считаются два раза в сутки ― в полночь и двенадцать дня. Можно в девять утра посмотреть прогноз, рассчитанный в полночь на девять часов утра, и сравнить с реальным положением дел. Если всё совпадает, то можно сделать вывод, что модель хорошо воспроизводит происходящие в настоящий момент в атмосфере процессы, а потому можно доверять прогностическим данным. Но если модель ошибается даже в предсказании на ближайшие двенадцать часов, то и ожидать хорошего качества прогнозов не приходится.

Если какой-то метеорологический процесс развивается устойчиво, то, скорее всего, все модели дадут схожий прогноз, а его оправдываемость будет высокой. Но если ситуация сложная, то разные модели будут давать различные результаты. В этом случае стоит быть осторожнее, потому что вероятность хорошего прогноза невысока.

Движение воздуха в циклоне // wikipedia.org

Есть нелюбимое синоптиками явление ― седловина. Допустим, по диагонали расположены два антициклона, давление в них высокое, по другой диагонали ― два циклона с низким давлением, а мы находимся посередине. Эта конструкция, как качели или желе, чуть-чуть перемещается, двигается. Если к нам подойдет циклон — будет облачность, если антициклон ― солнце. Летом за счет облачности разница температур в одном регионе может составлять до десяти градусов, и прогноз, соответственно, оказывается ошибочным. От небольших смещений этой системы зависит, пойдет дождь или небо будет безоблачным.

Перспективы прогнозирования

Наука развивается. Например, раньше кучевые облака, ливневые осадки описывались в модели с помощью параметризации, а теперь их развитие можно описать уравнениями, что позволяет предсказывать их гораздо лучше. Наблюдается прогресс в понимании физики процессов, которые описываются в моделях.

Но далеко не все природные явления достаточно изучены, и не все механизмы мы знаем. Циклоны и антициклоны открыли в середине XIX века, понятие атмосферных фронтов ввели в начале XX века, но единой теории циклогенеза, то есть как и почему возникают циклоны, в мире нет. Ни одна из существующих идей не может описать весь комплекс происходящих в атмосферных фронтах процессов.

Циклон «Катрина», 26 марта 2004 года // wikipedia.org

Главный фактор — субъективный. Например, модели не очень хорошо описывают процессы торможения циклона и антициклона о земную поверхность, и если циклон или фронт замедлился или ускорился, то осадки могут выпасть в три часа ночи, а не в шесть вечера, как было предсказано. Люди в таких случаях весь день носят с собой зонтики, недоумевают, почему дождя нет, и говорят, что синоптики ошиблись, хотя это неверно: процесс был, описали его более-менее правильно, но немного не рассчитали скорость, и дождь в итоге пришел на несколько часов позже, когда его уже никто не видел.

Сейчас в прогнозах погоды принято обозначать отдельно утро, день, вечер и ночь. Раньше выделяли только день и ночь, и это приводило к следующим коллизиям: синоптики обещали ночью 0 °C, а днем — 15 °C. Человек выходит утром на работу, ожидая тепло, но на улице всё еще холодно. Это происходит потому, что минимум температуры в суточном ходе наблюдается сразу после восхода солнца, так как Земля охлаждалась всю ночь, и в этот момент температура наиболее низкая, а до обещанных 15 °C воздух нагревается только к шестнадцати часам дня. То есть оценка точности прогноза во многом зависит от субъективного восприятия человека.

Региональные модели

Модель прогноза дает среднее значение по площади. Есть сетка, размер которой, например, 50 на 50 километров, и рассчитанные этой моделью значения — средние по квадрату со стороной 50 километров. Поэтому на одном конце Москвы может идти дождь, а на другом ― светить солнце, а модель даст только среднее значение. Сейчас эта проблема активно решается — создаются региональные модели.

Для Москвы разработана модель COSMO с шагом в 2,5 километра. Но чем меньше этот шаг, тем больше вычислительные сложности, и наверняка предсказать, над каким районом пройдет проливной дождь, нельзя. Распределение кучево-дождевых облаков, из которых идет ливень, практически хаотично.

Гроза в тропиках // unsplash.com

Тем не менее по Москве и Московской области сейчас делаются довольно подробные прогнозы, для каждого города Московской области свой прогноз. Для некоторых районов Западной Сибири и Дальнего Востока модель COSMO также дает прогноз с маленьким шагом. Но это используется пока не во всей России и не во всем мире.

Где смотреть прогноз погоды

Лучше всего смотреть прогноз погоды на сайте организации, которая эти прогнозы делает, то есть на сайте Гидрометцентра. На нем есть разъяснения и инструкция, как надо читать и понимать прогнозы и что такое вероятность — всё расшифровано. Есть сайт Gismeteo с хорошим прогнозом, целый ряд зарубежных сайтов, но именно на сайте Гидрометцентра представлен официальный прогноз погоды от исследователей, которые его делают.

СМИ иногда покупают у Гидрометцентра прогноз на пять суток и не обращают внимания на уточнения, которые появляются у источника в течение этого времени. Это тоже причина ощущения, что синоптики всё неправильно предсказали. Кроме того, часто публикуется не официальный прогноз Гидрометцентра, а взятый из неизвестных источников или странно переписанный.

Лучше всего синоптики каждой страны дают прогноз для своего региона: Метеофранс ― для Франции, Оффенбах ― для Германии. Но сейчас на сайте Гидрометцентра появилась возможность посмотреть прогнозы погоды, например, для Парижа или Лондона из официальных источников этих стран.