В преддверии Дня науки на базе Пермского государственного национального исследовательского университета (ПГНИУ) состоялись экскурсии по научным лабораториям. В ходе мероприятия доктор географических наук Андрей Шихов рассказал Business Class, как составляется прогноз погоды, какие технологии и геоинформационные системы используются в науке.
От часа до десятилетий
Современные метеорология и климатология решают задачи прогноза погоды и климата на разные сроки – от наукастинга (nowcasting – оперативное прогнозирование) до изменений климата на десятилетия. Самый точный из них – краткосрочный прогноз, который позволяет узнать погоду на ближайший день. Но и в краткосрочных прогнозах есть ряд проблем, особенно это касается таких опасных явлений погоды, как сильные ливни, шквалы, град и торнадо. Даже самые развитые метеослужбы мира не всегда способны предупредить население о таких явлениях (мы это видели недавно на примере наводнения в Валенсии). По мере увеличения заблаговременности прогноза точность уменьшается, и уже к двухнедельному периоду падает практически до уровня случайного гадания.
«Задача повышения точности сезонного прогноза до сих пор не решена, и есть предположение, что в обозримой перспективе так и не решится. Даже использование искусственного интеллекта пока не приносит значимых результатов», – поделился Андрей Шихов.
Сезонный прогноз охватывает период от двух недель до нескольких лет и используется для оценки погодных условий в рамках сезона: например, какой будет предстоящая зима или лето. Такие прогнозы представляют большой практический интерес, прежде всего, для производителей сельскохозяйственной продукции, которым важно знать вероятность наступления засухи или, наоборот, обильных осадков в предстоящий летний период
Климатические прогнозы дают возможность увидеть перспективу в среднем на десятилетия вперед. «Довольно часто в СМИ упоминаются прогнозы, согласно которым через 50 лет климат в Перми будет соответствовать современному климату Самары или Саратова, через 100 лет – климату Ростова-на-Дону», – отметил эксперт.
Это парадоксально, но подобные прогнозы считаются более точными по сравнению с сезонными. Современные климатические модели применяются уже около 20 лет, и те прогнозы, которые они выдавали в начале XXI века, хорошо подтверждаются текущими наблюдениями. Также важно понимать, что и требования к точности и детальности таких прогнозов намного ниже, чем к прогнозу погоды на сутки или на неделю.
На оценку изменения будущего климата могут опираться компании, занимающимся стратегическим планированием на десятилетия вперед. На их основе можно, например, сделать вывод о том, какие сельскохозяйственные культуры можно будет выращивать в определенном регионе в будущем, оценить расходы на отопление зимой или условия добычи сырья в Арктике.
Искусственный интеллект и радиолокаторы
Прогноз текущей погоды базируется на наблюдениях в реальном времени с радиолокаторов и спутников. Основная задача радиолокаторов – мониторинг потенциально опасных явлений, связанных с облачностью и сильными осадками, и обеспечение безопасности полетов воздушных судов. Радиолокаторы также являются основным способом отслеживания в режиме реального времени быстро развивающихся погодных явлений, таких как крупный град, шквалы, торнадо. По этим данным можно прогнозировать ливневые паводки, что весьма актуально для крупных городов, особенно для района Сочи, где сильные ливни регулярно наносят ущерб. Для тех регионов, где радиолокаторов нет, используют спутниковые снимки и грозопеленгаторы, но они дают намного меньше информации.
Поскольку развитие облачности в летний период происходит очень быстро, то простая экстраполяция таких наблюдений работает всего на час. Для получения прогноза на 2-3 часа используют искусственный интеллект, причем это была первая и наиболее успешная сфера его применения в метеорологии.
Введение в симуляторы атмосферы
Для лучшего понимания происходящих в атмосфере процессов несколько лет назад появились сервисы – симуляторы атмосферы.
«В отличие от обычных мобильных приложений, которые показывают прогноз для конкретной точки без указания источника, такие сервисы, как Windy и Ventusky, используют данные сразу из нескольких метеорологических центров и представляют их на карте в анимированном виде. Причем доступны данные не только для приземного слоя, но и для разных высот, что очень важно, например, для горнолыжников, туристов и альпинистов», – отметил синоптик.
Лидером среди метеорологических центров считается Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), отмечает Андрей Шихов. Модели, разрабатываемые Гидрометцентром России и Институтом вычислительной математики РАН, находятся во второй половине мирового рейтинга по качеству прогнозов. Но здесь нужно понимать, что вложения в эту сферу в России в десятки раз меньше, чем в странах-конкурентах.
Суперкомпьютеры и научные консорциумы
Современные прогнозы погоды строятся на данных глобальных численных моделей прогноза погоды. Поскольку в атмосфере все взаимосвязано, то чтобы предсказать погодные условия в Перми, необходимо учитывать метеорологические процессы, происходящие в далекой Атлантике и даже в Северной Америке. Например, зимой часто можно наблюдать, как вторжение арктического воздуха в район Мексиканского залива запускает цепочку атлантических циклонов, которые приносят оттепели и осадки в Европейскую часть России и на Урал. Подобный процесс мы могли наблюдать совсем недавно, в третьей декаде января. Помимо воздушных течений необходимо учитывать множество других факторов, таких как взаимодействие океана и атмосферы, испарение и формирование облаков, формирование и таяние снежного покрова, распространение дыма от лесных пожаров.
За математическим описанием этих сложных процессов стоят колоссальные вычислительные мощности и сложные математические модели, разрабатываемые мировыми прогностическими центрами. В мире насчитывается порядка десяти таких центров, которые могут позволить себе только ведущие страны с развитыми физико-математическими школами и доступом к огромным вычислительным ресурсам. В этом списке – США, Канада, страны Евросоюза, Россия, Китай, Япония, Южная Корея.
Суперкомпьютеры, обрабатывающие данные для прогнозов, являются одними из самых мощных в мире. В основу современных погодных моделей заложены сотни лет труда физиков, математиков и метеорологов. Ежегодно происходит их постоянное совершенствование, что требует объединения усилий ученых со всего мира. Вокруг прогностических центров формируются научные консорциумы, которые активно обмениваются данными и результатами исследований. Эти консорциумы привлекают лучших специалистов, в том числе из России, создавая международные команды экспертов, работающих над повышением точности прогнозов и развитием метеорологии как науки.
Фото: пресс-служба ПГНИУ.
