Сообщение о прогнозировании погоды

Обновлено: 06.07.2024

Вы никогда не ругали синоптиков за ошибочные прогнозы? А вот генпрокуратура не ругает, а требует от Росгидромета улучшить точность прогнозов погоды. Оценим вместе, насколько это вообще возможно.

Сначала наблюдение

Прогнозирование погоды начинается с наблюдения за текущим состоянием атмосферы. Зная ее текущее состояние, синоптики могут затем прогнозировать предстоящие изменения погоды в ближайшие дни или недели.

Первый в истории прогноз погоды, опубликованный в печати, был составлен именно Робертом Фицроем. Он был опубликован в английской газете Times 1 августа 1861 года. По одной из версий, именно неточность составляемых им прогнозов и стала причиной его добровольного ухода из жизни.

Многочисленные погодные датчики, размещенные на поверхности Земли и над ней, в море и на орбите, измеряют целый ряд погодных параметров, которые помогают максимально нарисовать наиболее полную картину погоды на нашей планете. Сбор погодной информации ведется метеорологическими организациями по всему земному шару, а затем национальные метеослужбы обмениваются ею со своими коллегами в других странах.

К основным погодным параметрам относятся: температура, атмосферное давление, влажность, скорость и направление ветра, осадки и их количество. Для их измерения на суше действует сеть метеостанций. В России таких метеостанций 1670, тогда как, например, в Китае их более 53 тысяч. Они могут обслуживаться как специалистами-метеорологами, так и быть полностью автоматизированными. В США, к примеру, действует сеть автоматизированных систем наблюдений (ASOS) за поверхностью. Такие метеостанции установлены в более чем 900 аэропортах по всей стране, где они собирают информацию о погодных явлениях.

В США также существует сеть метеорадаров, которая включает более чем 120 доплеровских радаров. Недавно они были усовершенствованы с помощью технологии Dual Polarization Technology, аналогичной той, что применили в ДМРЛ-С. На данный момент сеть погодных радаров в США считается самой развитой в мире. Радарами покрыта практически вся территория, причем восточная часть страны с большим запасом. Именно поэтому краткосрочный прогноз погоды в Вашингтоне и Нью-Йорке считается одним из самых точных на планете. В России сейчас также реализуется программа развития радиолокационной сети, новые радары строятся, прежде всего, в Центральном регионе, на юге Сибири и Дальнего Востока.

На воде, в океанах и морях, собирают данные о погоде метеобуи. Они, как и другие типы метеорологических станций, измеряют такие параметры, как температура воздуха над поверхностью океана, скорость ветра (постоянная и порывистая) и направление, барометрическое давление. Поскольку погодные буи находятся в водоемах, они также измеряют температуру поверхности моря и высоту волн. Полученные данные обрабатываются и могут регистрироваться на борту буя, а затем передаваться по радио, сотовой или спутниковой связи в метеорологические центры для использования в прогнозировании погоды. Используются как пришвартованные буи, так и дрейфующие, в том числе и в открытых океанских течениях. Фиксированные буи измеряют температуру воды на глубине до 3 метров.

Благодаря именно спутниковым наблюдениям удается существенно повысить точность прогнозов погоды. Так, например, благодаря инструменту AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder), выведенному в космос на борту спутника Aqua, NASA удалось существенно повысить точность прогнозирования погоды. Прибор позволяет создавать трехмерные карты температуры воздуха и поверхности, водяного пара и свойств облаков. Имея 2378 спектральных каналов, AIRS дает разрешение более чем в 100 раз больше, чем предыдущие инфракрасные зонды, и обеспечивает более точную информацию о вертикальных профилях атмосферной температуры и влажности. AIRS также может измерять следовые парниковые газы, такие как озон, угарный газ, двуокись углерода и метан.

Структура облачности урагана Ирма (август-сентябрь 2017 года) построенная на основе данных AIRS/ © airs.jpl.nasa.gov

Помимо содействия в составлении самых точных прогнозов, AIRS отслеживает выбросы вулканов и дым от лесных пожаров, измеряет вредные соединения, такие как аммиак. Если вы слышите о том, что озоновый слой над Антарктидой начал восстанавливаться , то это благодаря AIRS, который и это замечает.

Суперпомощники

Сама идея создания прогноза погоды с использованием динамических уравнений была впервые выдвинута английским математиком Льюисом Фраем Ричардсоном еще в 1922 году. Он понял, что динамику атмосферы можно моделировать, выполняя тысячи уравнений, тем самым имея возможность прогнозировать погоду.

Однако в докомпьютерный век существовал единственный вариант применения данного численного метода — вручную. Ричардсон подсчитал, что потребуется 64 тысячи человек для выполнения расчетов, необходимых для своевременного качественного прогноза. И хотя это было непрактично, его теория легла в основу прогнозирования погоды по мере совершенствования технологии.

По состоянию на ноябрь 2016 года, в списке Top500, рейтинге самых мощных вычислительных систем мира, значилось 23 суперкомпьютера, предназначенных для прогнозирования погоды. И хотя эти 23 системы представляют собой менее пяти процентов от общего числа суперкомпьютеров в списке, они составляют более семи процентов от общей производительности списка. В настоящее время самым мощным компьютером для прогнозирования погоды является машина Метеорологического бюро Соединенного Королевства Cray XC40, которая обеспечивает производительность 7 петафлопс и находится под номером 11 в Top500. Второй самый мощный — это спустившийся в рейтинге на 2 позиции по сравнению с прошлым годом Cheyenne, установленный в Национальном центре атмосферных исследований США (NCAR). Сегодня он занимает 22 место в списке, обеспечивая производительность 4,8 петафлопса. Один петафлопс означает, что за секунду машина может совершить тысячу триллионов операций с плавающей точкой.

На этом фоне российские метеорологи, конечно, смотрятся весьма скромно. Главный вычислительный центр Росгидромета располагает на сегодняшний день тремя вычислительными кластерами общей производительностью 62 терафлопса (триллиона операций в секунду). Новый суперкомпьютер планируют установить к концу года. Параметры его производительности не раскрываются. Актуальность в нем назрела после урагана, который произошел в Москве 29 мая. Тогда погибло 18 человек. По словам Романа Вильфанда, для окончательной настройки компьютера потребуется еще от 6 до 8 месяцев. Но прогнозы высокого разрешения для Московского региона с шагом в километр появятся еще позже — к концу 2019 года.

Методы прогнозирования погоды

Считается, что предсказание погоды является конечной целью исследования атмосферы. Прогнозирование отмечается как наиболее развитая область в метеорологии. Природа современного прогнозирования погоды достаточно сложна. Принято выделять три метода научного прогнозирования погоды: синоптическое прогнозирование погоды, численный (он же гидродинамический) метод и статистический.

Синоптическое прогнозирование — это традиционный подход к прогнозированию погоды. До конца 1950-х годов этот метод использовался как основной. Он основывается на построении и анализе синоптических карт, изображающих атмосферные условия в конкретный момент времени. На них выделяются отдельные объекты (циклоны, антициклоны, атмосферные фронты и т. д.), для каждого из которых свойственны определенные типы погодных условий. Современный метеорологический центр ежедневно готовит серию синоптических карт. Такие карты составляют основу прогнозов погоды. Задача подготовки синоптических карт на постоянной основе включает в себя сбор и анализ огромного количества данных наблюдений, полученных с множества метеорологических станций.

Первую карту погоды составил французский математик, директор Парижской обсерватории Урбен Леверье 19 февраля 1855 года. Этот процесс отнял немало времени. Ее составили на основе данных, полученных по телеграфу из нескольких городов Европы. Разносторонний Леверье также известен тем, что на основании его расчетов была открыта планета Нептун.

На основе тщательного изучения метеорологических карт на протяжении многих лет были сформулированы определенные эмпирические правила. Эти правила помогают метеорологам оценить скорость и направление движения погодных систем. Например, когда известен тип погоды, создаваемой вдоль фронта, а также скорость и направление движущейся бури, можно сделать довольно точный прогноз погоды для выбранной местности.

Но из-за внезапных изменений в циклонической системе эти прогнозы действительны на протяжении лишь короткого периода времени, скажем, в течение нескольких часов или дня. Прогнозирование на более длительный период уже затруднительно.

Газы атмосферы подчиняются ряду физических принципов, и если известны текущие условия атмосферы, то известные физические законы могут использоваться для прогнозирования будущей погоды.

С конца 1940-х годов наблюдается устойчивый рост использования математических моделей в прогнозировании погоды. Эти процедуры стали возможны благодаря продвижению в формулировании математических моделей. Математические уравнения применяются для разработки теоретических моделей общей циркуляции атмосферы. Они также используются для прогнозирования изменений в атмосфере с течением времени. В них учитываются параметры определенных элементов погоды, таких как воздушные течения, температура, влажность, испарение, облачность, дождь, снег и взаимодействие воздушных потоков с поверхностью суши и океанов.

В разработке численного метода прогнозирования погоды решающие шаги были сделаны советским ученым, академиком А. М. Обуховым и американским ученым Дж. Чарни. Именно они довели этот метод до практической реализации, ставшей возможной с появлением ЭВМ.

Когда мы рассматриваем постоянно меняющуюся атмосферу, необходимо учитывать большое количество переменных. Это очень сложная задача. И для ее решения были подготовлены численные модели, которые игнорируют некоторые переменные в предположении, что некоторые аспекты атмосферы не изменяются со временем. Это позволяет снизить требования к производительности компьютеров, но одновременно снижается и качество прогноза.

Статистические методы используются наряду с численным прогнозом погоды. Этот метод часто дополняет численный метод. Статистические методы используют прошлые записи метеорологических данных, исходя из предположения, что в будущем погода будет повторяться.

Основная цель изучения прошлых метеорологических данных — выяснить те аспекты погоды, которые являются хорошими показателями будущих событий. Но таким образом можно делать прогноз погоды с большим шагом по территории. Это особенно полезно при проектировании только одного аспекта погоды за раз. Например, это имеет большое значение для долгосрочного прогнозирования максимальной температуры в течение дня в определенном месте. Процедура заключается в сборе статистических данных, касающихся температуры, скорости и направления ветра, количества облачности, влажности конкретного сезона года. Статистический метод имеют большое значение для долгосрочных прогнозов погоды.

Как видим, возможностей для улучшения точности прогнозов погоды достаточно. Мощности суперкомпьютеров растут, и с большой уверенностью можно сказать, что они будут находить свое применение в метеорологии. Все новые инструменты для наблюдения за погодой выводятся в космос, растет сеть метеорадаров. В целом, это касается и нашей страны. Развивается новое направление в прогнозировании погоды — наукастинг, позволяющий выпускать сверхкраткосрочный прогноз об опасных явлениях погоды на ближайшие несколько часов. Так что будем надеяться, что обещания главы Гидрометцентра Романа Вильфанда о прогнозах погоды с точностью до района и даже улицы будут реализованы.

Первые прогнозы

Прогнозы мореплавателей

Первые математические подходы к прогнозированию погоды

В XIX веке состоялось бурное развитие термодинамики и гидродинамики. Как следствие, прогнозирование погоды также перешло на новый математический уровень понимания проблемы.

Шаг диагностирования текущего состояния погоды.
Шаг прогнозирования погоды на интервал времени вперед.

Идея Ричардсона о прогнозе погоды

Парадоксально, но и главной заслугой, и главной ошибкой Ричардсона стал один единственный численный расчет прогноза изменения давления в конкретной точке Европы, который он привел в своей книге. С одной стороны данный пример стал первым математическим примером расчета прогноза погоды. С другой — этот пример расчета имел совершенно абсурдный результат. По расчетам ученого изменение давления через 6 часов должно было составлять 14.5 кПа, что является абсурдной величиной.

Расчет его был верен, ошибка состояла в некорректности начальных условий. Последовавший через годы пересчет начальных условий показал, что предложенный Ричардсоном алгоритм является корректным.

Этот знаменитый пример привлек на его сторону амбициозных математиков, и он же оттолкнул от его работ всех сомневающихся. Понадобились десятилетия, прежде чем произошла первая комплексная реализация математической модели Ричардсона.

Развитие моделей прогнозирования в середине XX века

После достижений науки в области численных методов, изобретений первых электронных вычислителей (компьютеров), а также изобретения радиозонда к идеям Ричардсона вернулись. Вернулся к ним знаменитый математик Джон фон Нейман вместе с Джулом Чарни в рамках проекта Electronic Computer Project на базе Принстонского университета в 1946 году.

В рамках проекта одной из решаемых задач стала задача прогнозирования погоды, которой руководил Джул Чарни. В результате работ, выполненных по заказу ВМФ США был разработан Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC). На этой-то машине и осуществился первый математический прогноз погоды в 1950 году.

В рамках реализации модели Ричардсона возникли, конечно, сложности и дополнительные ограничения, однако группа специалистов под руководством Чарни сумела преодолеть математические сложности и добиться от новой системы адекватных результатов. Результаты работ Чарни публиковались с 1947 по 1955 год и стали основой для дальнейшего развития математического моделирования состояния атмосферы.

Далее, в 1956 году вышла работа Филлипса, посвященная глобальным циркуляционным моделям атмосферы. В этих моделях вся поверхность земли делилась на прямоугольники (горизонтальная сетка) и имела вертикальный размер, чаще всего задаваемый абсолютным или относительным давлением. Все расчеты в этой модели базировались на модели Ричардсона.

Разработанные Филлипсом циркуляционные модели стали громадным этапом в развитии метеорологии. С тех пор такого рода модели многократно усложнились и увеличились. На сегодняшний день они являются основой для формирования как краткосрочного, так и долгосрочного прогноза погоды.

Современные системы прогнозирования погоды

Сегодня лидером в области разработки и усовершенствования моделей прогнозирования погоды является European Centre for medium-range weather forecasts (ECMWF).

ECMWF использует самую современную циркуляционную модель со сложнейшим толкованием физических процессов. Разрешение модели 25 на 25 км, она имеет 91 уровень по вертикали. Начальные условия для расчета готовит четырех размерная схема ассимиляция, использующая данные со спутников. Все данные приведены на 2007 год.

ECMWF делает следующие прогнозы: прогноз погоды на 10 дней вперед, прогноз на месяц вперед, сезонный прогноз более 6 месяцев вперед. Аппаратная часть ECMWF предоставлена компанией IBM и называется High Performance Computing Facility (HPCF). HPCF включает два одинаковых кластера p690+. Каждый кластер состоит из 68 серверов, каждый из которых имеет 32 CPU с частотой 1.9 GHz. Пиковая производительность составляет 16.5 терафлопс на каждый кластер.

Заключение

Прогноз погоды людей интересовал веками, лишь 150 лет назад к этой задаче подошли комплексно. Только 110 лет назад эта задача впервые получила математическое описание. За прошедший век развитие систем прогнозирования и моделирования атмосферы стало революционным. Однако эта революция потребовала громадных усилий самых талантливых математиков XX века, а также неисчерпаемых инвестиций в аппаратно-программное обеспечение.

На графике ниже видно, как с годами совершенствовалось качество прогноза погоды: он из года в год, от модели к модели становится точнее. К сегодняшнему дню проделана такая громадная работа в области моделирования атмосферы, что дух захватывает. И эта работа ежедневно продолжается.

Можно ли построить систему, в которой бы все можно было учесть и прогнозировать очень точно? Опыт разработки математических моделей атмосферы показывает, что можно. И только постоянная научно-исследовательская работа, сопряженная с постоянной практикой, на протяжении десятилетий способна повышать качество прогноза за счет применения все усовершенствованных моделей.

К сожалению, мой опыт общения на эту тему показывает, что прогноз нужен очень точный, сейчас же, без промедления, а инвестиции как временные, так и финансовые в область развития моделей прогнозирования многие считают бесполезной тратой денег.

Погода – состояние тропосферы в данное время в данной местности.

Элементы погоды:

Температура воздуха;
атмосферное давление;
осадки (их количество, виды);
влажность воздуха;
ветер (направление, скорость);
облачность;
атмосферные явления.

Погода зависит от:

географического положения – чем ближе местность к экватору, тем воздух более теплый. Разница в степени нагревания обеспечивает непрерывное движение воздуха и влияет на степень испарения влаги с поверхности;
времени года;
времени суток.
особенностей атмосферной циркуляции:

Прогноз погоды — научно обоснованное предположение о будущем состоянии погоды в определённом пункте или регионе на определённый период.

Прогноз погоды в современных условиях имеет большое значение как для каждого человека в отдельности, так и для экономики в целом. В зимний период это особенно важно, так как позволяет государственным службам планировать определенные мероприятия, будь то подготовка к очистке дорог от чрезмерного выпадения снега или предупреждения граждан о неблагоприятных погодных условиях. Кроме того, каждый человек сможет понять, как одеваться по погоде и какие планы строить на будущие дни.

Что даёт прогноз погоды? Информирование о погоде зимой, прежде всего, позволяет уберечь свое здоровье от переохлаждения и как следствие появления всевозможных недомоганий. Также помогает учесть перемену атмосферного давления, влияющего на определенную категорию людей. Прогноз погоды необходим для организации ежедневных мероприятий, которые проводятся на свежем воздухе, и планирования выходных или долгожданного отпуска.

Прогнози́рование — это разработка прогноза.

Синоптическая карта – географическая карта, на которую условными знаками нанесены результаты наблюдений метеостанций. Такая карта дает наглядное представление о состоянии погоды в данный момент. При последовательном составлении карт выясняются направление движения воздушных масс, развитие циклонов, перемещение фронтов.

Предсказатели погоды среди животных

погоду он лежит на дне аквариума неподвижно, но вот, виляя длинным

телом, он начинает сновать вдоль стенок аквариума, и через какое-то время

небо затягивается тучами. А теперь голец уже бросается по аквариуму вверх

— вниз, справа — налево, значит, вскоре забарабанят капли дождя.

Замечательные метеорологи — пауки. Известно, что они не переносят

влажности, потому крайне редко выходят на охоту утром. Утром они

появляются лишь тогда, когда нет росы, а отсутствие росы — один из

признаков близкого ненастья. Жары пауки также боятся, поэтому, когда паук

Погодой называется состояние тропосферы в конкретном месте и в конкретное время. Погода характеризуется такими элементами как температура, атмосферное давление, облачность, количество осадков, количество водяного пара, направление ветра и так далее. В различных регионах погода может сильно отличаться. Более того, даже в одном и том же регионе в рамках одного дня погода может значительно колебаться. В сегодняшнем материале мы поговорим о том, что такое погода, чем она характеризуется, какие у неё есть факторы и как происходит ее прогноз.

Чем характеризуется погода

Погода как географическое понятие характеризуется совокупностью 2 факторов:

Явления (атмосферные осадки, ветер, облака).
Элементы (температура воздуха, атмосферное давление, влажность).

Для отображения элементов природы часто используют следующие график.

Причины изменения погоды

Погода характеризуется ее состоянием. В географии можно выделить два основных состояния погоды:

Устойчивость. Погода считается устойчивой, если на протяжении нескольких дней сохраняется примерно одинаковая погода.
Изменчивость. Это, пожалуй, главное свойство погоды, поскольку очень часто даже в рамках одного дня погода может сильно отличаться. Например, утром холодно, а днём тепло. Или в первой половине дня дует южный ветер, а во второй половине дня начинает дуть северный ветер. В первой половине дня было солнечно, во второй половине дня пошел дождь. Всё это признаки изменчивости.

Изменчивость не является характеристикой универсальной, поскольку погода может меняться в контексте дня, в контексте сезона, в контексте года и так далее.

Воздушные массы и их влияние на погоду

Изменчивость наибольшим образом связана с движением воздушных масс, которые в свою очередь отвечают за формирование температуры воздуха. Различают следующие типы воздушных масс:

Длительное время находящиеся над океаном. Такой воздух впитывает в себя влагу, которая в дальнейшем выливается на землю в виде осадков. Влага впитывается воздухом в виде испарений от океанической воды.
Сухой воздух формируется массами, которые длительное время находились над сушей. Здесь практически нет испарений, а значит, влажность снижена.
На полюсах формируется холодный и сухой воздух. Связано это с тем, что например, Ледовитый океан полностью покрыт льдом, там низкая температура, а значит и температура воздуха низкая. Кроме того испарения здесь минимальные, и этим обуславливается сухость.
Южный ветер для северного полушария берёт своё начало в экваториальных или тропических широтах Южного полушария, а значит, несет с собой теплый воздух.

Схематическое движение воздушных масс для нашего региона может быть показано так.

Эта схема отлично показывает, что даже простейшее наблюдение за изменениями направления движения воздушных масс можно давать прогнозы по изменению погоды. Например, если дует северный ветер, то он обычно несет холодную и ясную погоду. Если дует Западный ветер, то он обычно несёт дожди, поскольку берёт начало воздушных масс в Атлантическом океане. Если мы говорим о Южном ветре, то он несет для нашей страны тепло вне зависимости от времени года. Восточной ветер для континентальной Европы несёт зимой холод, а летом тепло.

Говоря про изменчивость погоды нужно отметить, что не во всех регионах нашей планеты изменчивость является определяющим элементом погоды. Например, особенно четко это прослеживается на экваторе, где практически круглый год жарко и высокая влажность. Также в качестве примерно устойчивой погоды можно привезти Антарктиду, где всегда холодно. Поэтому в географии используются следующие схема для определения районов, где воздушные массы несут изменчивость погоды, а где её устойчивость.

Типы погоды

На планете Земля можно выделить 2 основных типа погоды: погода холодного времени года и погода теплого времени года. Как несложно понять из этого определения, основополагающим фактором при выделении типа является температура воздуха. Каждый из нас осознанно или нет, использует типы погоды, когда говорит, что на улице холодно или на улице тепло. В географии тип погоды это некая обобщенная характеристика, которая содержит сведения о среднесуточной температуре в определённое время года.Каждый тип обладает своими подтипами, которые представлены в таблице ниже.

Прогноз погоды

Люди всегда занимались наблюдениями за погоды, а также делали прогнозы. В современном мире прогнозы погоды делают синоптики, которые получают данные для анализа от метеостанции. В большинстве случаев наблюдения ведутся из космоса, а полученные результаты отправляются на землю во всемирные метеорологические центры. На нашей планете таких центров 3 и расположены они в столицах государств Россия, США и Австралия. Здесь формируются синоптические карты и прогнозы погоды. Говоря о синоптических картах нужно выделить основные условные обозначения, которые там используются.

Теперь, зная подобные обозначения, можно расшифровать погодную карту для одного из населенных пунктов.

Для данного населенного пункта прогноз погоды составляет +20 градусов по цельсию, 756 мм ртутного столба атмосферное давление, ветер будет 4 балла западный, а господствует переменная облачность.

Чем измеряется погода

Говоря о прогнозе погоды, нельзя обойти стороной вопрос оборудования, с помощью которого на Земле происходит определение тех или иных элементов погоды. В основном синоптики используют следующее оборудование:

Читайте также: