Прогноз погоды

Прогноз погоды знаком всем – его можно слышать по телевидению или радио. Рассмотрим, что такое прогнозы погоды и какими они бывают. Прогноз погоды – это научно обоснованное предвиденье изменений погоды, являющиеся результатом анализа крупномасштабных атмосферных процессов и применения известных науке закономерностей их развития. Прогнозы погоды составляются метеорологическими подразделениями и службами практически всей планеты.

Прогнозы делятся на краткосрочные (от нескольких часов до 1-2 сут.), долгосрочные малой заблаговременности (3-10 сут.), долгосрочные большой заблаговременности (на месяц и более), сверхдолгосрочные. Прогнозы погоды составляются для территории (область, край, страна, акватории морей и т.п.), а также для отдельных населённых пунктов, аэропортов, авиатрасс.

Прогнозы подразделяются также на специализированные, предназначенные для специальных пользователей (авиация, судоходство, рыбный промысел, сельское хозяйство и т.д.), и общего пользования – для населения.

Очевидно, прогнозы для конкретных потребителей обычно наиболее точные. Так, в прогнозе погоды для авиации обязательно указываются не только привычные данные, но и распределение облачности по вертикали и ее формы, сдвиги ветра, инверсии температуры, высота тропопаузы, струйное течение, болтанка, статическое электричество и др. Прогнозы для населения даются для больших территорий, поэтому они менее точны. Кроме того, в таких прогнозах указываются далеко не все метеорологические характеристики.

Существуют также предупреждения об опасных явлениях погоды (ОЯП), в авиации их называют штормовыми (гроза, смерч, шквал, град, сильное обледенение, гололёд, туман, метель, сильный ветер, пыльная буря, заморозки и др.) – эти явления могут вызвать затруднения в работе отдельных отраслей жизнедеятельности человека или причинить ущерб, и даже угрожать безопасности населения. Метеорологические подразделения и службы кроме штормовых оповещений об ОЯП, подают штормовые оповещения о наблюдающихсяособо опасных метеорологических, гидрологических, геофизических, а также аномальных атмосферных и космических явлениях.

Особо опаснымиявлениями считаются явления, которые по своей интенсивности, времени возникновения, продолжительности и площади распространения могут нанести значительный ущерб. К ним относятся:

- ветер со скоростью более 30 м/с;

- град диаметром более 30 мм;

- сильный дождь и снегопад с интенсивностью, превышающей критические значения, установленные для данного района;

- повышение уровня воды в реках, водоёмах до критических значений, наводнения, заторы, зажоры, угрожающие затоплением районов жизнедеятельности людей промышленных и стратегических объектов;

- селевые потоки и снежные лавины;

- извержения вулканов;

- землетрясения и цунами.

В краткосрочных прогнозах и предупреждениях ожидаемые условия погоды указываются более детально, чем в долгосрочных. В долгосрочных прогнозах малой заблаговременности характер погоды на предстоящий период описывается в более общем виде: преобладание ясной или облачной погоды, возможность выпадения осадков, пределы дневных и ночных температур, резкие изменения погоды, преобладающее направление и скорость ветра. Прогноз на месяц содержит знак и величину отклонения средней месячной температуры и осадков от нормы, а также указания периодов наиболее существенных изменений погоды: похолоданий и потеплений, переходов от сухой к ненастной погоде и т.п., уже без указаний на временные изменения.

В сверхдолгосрочных прогнозах дается фон погоды, т.е. указывается, будет ли теплее нормы или холоднее, дождливее или суше и т.п.

Как именно делаются прогнозы погоды? В принципе, существует два основных метода, нередко сочетаемых. Это синоптический и численный прогноз.

Синоптический прогноз существует уже достаточно давно. Даже наблюдение мореплавателей о том, что если «барометр падает», то «будет скверно» можно считать примитивным вариантом синоптического прогноза. Синоптический метод основан на анализе карт погоды, представленных картами за несколько предыдущих сроков наблюдения, а также анализе карт абсолютной и относительной барической топографии. На основе этой совокупности данных специалист делает вывод о характере наблюдавшейся и наблюдающейся погоды и дает прогноз. Прогноз основан в основном на принципе «движения погоды». Так, предположим, что струйное течение направлено с запада на восток. Также известно перемещение барических образований – циклонов и антициклонов. А каждое образование в различных своих областях характеризуется своей погодой. Поэтому, глядя на карту погоды, синоптик оценивает в первую очередь: какое образование придет в интересующую его область и когда. Это делается посредством анализа перемещения барических образований на основе карт за предшествующие сроки наблюдений. По этим картам легко можно оценить направление и скорость перемещения барических образований. И на этих картах показано, какая погода наблюдалась в других местах, когда они находились под влиянием этого барического образования. Так, обнаружив циклон, находящийся над Европой и движущийся на восток с некоей скоростью, синоптик вычисляет время, когда циклон придет в интересующую область. Соответственно, циклон принесет с собой погоду, которая уже отмечена на карте в Европе. Естественно, необходимо учитывать изменения погоды при движении барических образований с учетом знания жизненного цикла этих образований. Кроме того, необходимо учитывать местные условия, которые, впрочем, обычно достаточно хорошо изучены и известны.

Таким образом, синоптический прогноз – это анализ карт погоды и барической топографии с учетом знаний о характере развития барических образований и знаний местных особенностей погоды. Качество этого прогноза зависит не только от качества исходных данных, но и от опыта синоптика. Опытные синоптики нередко дают прогнозы удивительной точности.

Численный метод прогноза погоды основан на совершенно иных предпосылках. В качестве его основы используется система уравнений движения, замкнутая уравнениями теплопроводности и турбулентного обмена, с заданными начальными и граничными условиями. Естественно, эта система дифференциальных уравнений не имеет аналитического решения, поэтому решается численными методами (откуда и название метода). Для решения этой системы уравнений требуются компьютеры колоссальной мощности, в сравнении с которыми современные ПК кажутся детскими игрушками. При всем этом качество численных прогнозов до сих пор не удается кардинально улучшить, даже путем существенного увеличения быстродействия компьютеров. Дело здесь не столько в быстродействии, сколько в исходных данных – они очень недостаточны. Особенно сложна параметризация т.н. подсеточных процессов, т.е. явлений погоды, имеющих пространственные размеры меньшие, чем шаг численной сетки, используемой при решении уравнений. Никакая схема не может учесть отдельного облака или, например, зарождающегося циклона. Если бы датчики метеорологических элементов располагались в каждом кубическом метре атмосферы и передавали бы данные ежесекундно, и если бы существовали компьютеры, способные собрать и обработать такой колоссальный объем информации, то получились бы прогнозы почти идеально точные. Увы, это в принципе невозможно.

Поэтому численные прогнозы нередко дают значительные ошибки, особенно при большой заблаговременности. Ошибка накапливается со временем, что связано с погрешностями решения дифференциальных уравнений численным методом. При увеличении заблаговременности эта ошибка растет, пока не становится большей, чем полезная информация. Отсюда возникает понятие предела предсказуемости, который можно трактовать как момент времени, к которому накопившаяся ошибка достигает значения полезной информации. В современных схемах предел предсказуемости составляет 5 – 7 дней.

В практике нередко сочетаются численный и синоптический методы. Так, синоптик оперативно получает не только карты погоды и барической топографии, но и карты численного прогноза погоды на различные сроки. Эти карты дают представление об общем фоне погоды, который детализируется синоптиком для местных условий (близость морей, крупных рек, промышленных объектов с их дымами и теплом и т.д.). Другими словами, анализируя реальное и будущее положение синоптических процессов на интересующей его территории, синоптик составляет прогноз погоды на интересующий потребителя срок. Основываясь на картах численного прогноза и используя синоптический метод, можно дать прогноз очень высокого качества.

Может возникнуть вопрос: а как же тогда даются прогнозы большей заблаговременности, если ни синоптические, ни численный методы не позволяют дать прогноз более чем на неделю? Для этого используют статистические методы. Простейший пример таковых знаком почти всем, например, «если чайки низко летают, то будет…», «если дым из трубы низко стелется, то будет…», «если на рождество мороз, то и вся зима будет…» и т.п. На самом деле, это вовсе не сказки, а проявление определенных статистических закономерностей.

Как известно, обычно та или иная погода в одном месте сохраняется 5-7 дней. Этот период времени называется естественным синоптическим периодом. Периоды сменяют друг друга, но с определенными статистическими закономерностями. Поэтому, имея длительный ряд наблюдений, эти закономерности можно выявить и использовать. Естественно, это будет вероятностный прогноз, т.е. предсказанная погода будет наблюдаться с вероятностью в среднем не большей некоего предела, однако в большинстве случаев эта вероятность существенно больше чем 50 на 50, что и делает такие прогнозы полезными. Широко используется метод подбора годов-аналогов.

Точность всех прогнозов в пределах периода, на который они составляются, убывает со временем. В среднем из 100 краткосрочных прогнозов или долгосрочных прогнозов малой заблаговременности оправдываются около 80. Основная причина наиболее крупных ошибок – неточности в расчётах барического поля, направления и скорости перемещения циклонов и фронтов, а также их эволюции; эти ошибки обусловлены несовершенством применяемых методов, отсутствием достаточной информации с океанов и малонаселённых территорий, в особенности же из высоких слоёв атмосферы. Методы долгосрочных прогнозов большой заблаговременности находятся в постоянной разработке, а сами прогнозы пока не обладают требуемым качеством. Достаточно точный долговременный прогноз погоды – одна из труднейших задач, стоящих перед человечеством, и она до сих пор далека от разрешения.