СОВРЕМЕННЫЙ ПРОГНОЗ ПОГОДЫ

... ...

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ПРОГНОСТИЧЕСКАЯ ИНДУСТРИЯ 4
1.1. Прогноз погоды. Основные положения 4
1.2. Всемирная метеорологическая организация и Всемирная служба погоды 5
1.3. Численный прогноз погоды 7
2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОГНОЗОВ ПОГОДЫ 10
2.1. Краткосрочные прогнозы 10
2.2. Прогноз текущей погоды (наукастинг) 13
2.3. Долгосрочные прогнозы 13
2.4. Причины возникновения ошибок прогнозов 15
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ: ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТЕОРОЛОГИИ В XXI ВЕКЕ 16
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 17
ПРИЛОЖЕНИЕ 18

ВВЕДЕНИЕ
Сложно найти в современном мире человека, который не интересовался бы прогнозами погоды. Они помогают нам правильно выбрать одежду, ответить на вопрос «Стоит ли сегодня брать с собой зонт?», правильно распланировать различные мероприятия на открытом воздухе. Однако существует значительное количество отраслей национальной экономики, деятельность которых была бы куда менее эффективной без знания наиболее вероятных условий атмосферы в будущем. Это авиация, морской флот, сельское хозяйство, энергетика. Грамотное использование гидрометеорологических прогнозов, безусловно, важно для обеспечения безопасности населения при таких стихийных явлениях, как наводнения, сильные грозы, смерчи (торнадо), экстремальные мороз и жара. Возможности так называемого активного воздействия на погоду весьм а ограниченны и сводятся к рассеиванию туманов и частичному предотвращению градобитий — на процессы более крупного масштаба (циклоны, антициклоны) человек влиять ещё не научился. Таким образом, создание и постоянное функционирование системы, позволяющей заблаговременно выдавать прогнозы метеорологических величин и явлений, является одной из важнейших задач, стоящих перед мировым сообществом.
Задача предлагаемой работы состоит в описании технологии подготовки прогнозов погоды на доступном уровне. При этом читателю следует иметь определённое представление об атмосфере и протекающих в ней процессах, правда, не выходящее за рамки школьного курса общей физической географии. Хотелось бы выразить надежду, что всякому после внимательного прочтения данной работы станут понятны основы современной системы прогнозирования погоды, а также сложность технологий, за ней стоящих.

Сущность данного подхода заключается в определении будущей погоды путём решения уравнений гидротермодинамики, записанных применительно к атмосфере. Эти уравнения очень сложны (нелинейны) и поэтому решаются при помощи ЭВМ. Вычислительная сложность алгоритмов получается настолько высокой, что их выполнение возможно только на самых быстродействующих суперкомпьютерах.Создание и внедрение в метеорологическую практику гидродинамических моделей атмосферы — процесс невероятно сложный, сопряжённый с огромными научными и материальными вложениями. По этой причине модели разрабатываются и функционируют лишь в развитых странах мира — США, Канаде, Германии, Великобритании, Японии, России. Национальные метеослужбы других государств пользуются готовой продукцией модельных расчётов ведущих метеорологических держав.Существует классификация моделей атмосферы по размерам территории, для которой производятся расчёты. Глобальные модели, название которых говорит само за себя, вычисляют значения метеорологических величин для всего земного шара. Разрешение их по горизонтали составляет порядка 50 км, что вполне достаточно для описания погодообразующих процессов крупного масштаба. Среди них в метеорологической практике чаще всего применяются американская Global Forecasting System (GFS) и модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП, англ. European Center for Medium-Range Forecasting — ECMWF) и британская Unified Model (UM, UKMET). Мезомасшабные модели (модели по ограниченной территории) за счёт уменьшения площади расчёта до одной страны или её региона позволяют увеличить разрешение до 1—2 км, благодаря чему их используют для составления детализированных прогнозов. Наиболее известной мезомасштабной моделью является американская Weather Research and Forecasting Model (WRF). WRF — бесплатная модель с открытым исходным кодом, что позволяет использовать её не только в государственных, но и частных бюро погоды с возможностью тонкой настройки под различные нужды. Процесс подготовки гидродинамического прогноза погоды можно условно разделить на два этапа. Первый этап можно назвать подготовительным. Начинается всё со сбора сводок погоды и их архивации в памяти компьютера метеорологического центра. Затем происходит раскодирование сводок, контроль их качества и создание предварительной базы данных. Понятно, что расположение метеостанций, судов погоды и т.п. не является однородным, поэтому их данные интерполируются в узлы так называемой регулярной сетки — множества точек, равномерно расположенных в пространстве. Многие области земного шара (к примеру, океаны, пустыни) на картах погоды выглядят как «белые пятна», и для восполнения этого недостатка информации широко используются метеорологические спутники. Результатом подготовительного этапа является объективный анализ метеовеличин.Второй этап численного моделирования атмосферных процессов представляет собой собственно гидродинамический прогноз. По объективному анализу модель вычисляет тенденцию изменения метеорологических величин через небольшой промежуток времени, порядка 10 мин. Полученная картина погоды есть основа для расчёта следующей тенденции, и этот процесс повторяется снова и снова. В большинстве метеорологических центров максимальная заблаговременность модельного прогноза составляет 1—2 недели. Оперативность предвычисления погоды важна, поскольку прогноз при слишком долгой его подготовке теряет практическую ценность. С целью уменьшения затрачиваемого машинного времени многие сложные физические процессы описываются приближённо.Результаты гидродинамического моделирования распространяются в метеорологические центры в виде графической информации — карт и диаграмм. Однако у синоптиков всегда есть возможность воспользоваться численными прогнозами в исходном (закодированном) виде для проведения сложных вычислений на персональных компьютерах. Стоит отметить, что в последнее время ресурсы Интернета (см. Приложение) предоставляют открытый доступ к модельным данным, причём их набор не слишком отличается от того, что есть в прогностических организациях. Это позволяет всем желающим приблизиться к метеорологической науке. Пример прогноза температуры воздуха на высоте 2 м над подстилающей поверхностью по модели GFS показан ниже.Рис. SEQ Рис. \* ARABIC 2. Пример гидродинамического прогноза погоды.ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОГНОЗОВ ПОГОДЫКраткосрочные прогнозыСоставление локальных краткосрочных прогнозов погоды является задачей синоптиков национальных метеорологических центров или их подразделений. Они используют данные, получаемые из мировых и региональных центров, уточняя их для своего региона или, как ещё говорят, зоны ответственности.Вначале прогнозист выявляет крупномасштабные процессы в атмосфере, определяющие характер погоды в общих чертах. С этой целью обычно проводится синоптический анализ. Его сущность заключается в указании на картах погоды основных синоптических объектов — циклонов, антициклонов, атмосферных фронтов, струйных течений (см. рис. 3). Затем специалист-метеоролог определяет, какие из них пройдут через его зону ответственности, и описывает примерный ход погоды на основании уже известных связей между ними и метеорологическими величинами и явлениями. Например, каждому известно, что циклон, как правило, приносит пасмурную, ветреную погоду и обильные осадки, а в антициклоне обычно ясно и тихо. Конечно, в работе синоптика всё намного сложнее, но общий вид таких правил остаётся примерно тем же.Любому прогнозисту известно, что проведение атмосферных фронтов на картах погоды в значительной мере субъективно. Есть даже поговорка: «Сколько синоптиков, столько и фронтов». Чтобы уменьшить зависимость фронтологического анализа от «человеческого фактора» — личности прогнозиста, разработаны методы объективного анализа атмосферных фронтов, основанные на данных численных моделей и метеорологических спутников. Широкое внедрение этих методов в прогностическую практику стало возможным после появления автоматизированных рабочих мест (АРМ) прогнозиста, позволяющих быстро выполнять сложные расчёты различных параметров атмосферы. Специалисту-метеорологу остаётся лишь слегка подкорректировать положение фронтов, сверившись с приземной картой погоды.После выявления циклонов, антициклонов, атмосферных фронтов, которые будут определять характер погоды в пункте прогноза, синоптик устанавливает, правильно ли в численных моделях учтена сложившаяся синоптическая ситуация. В большинстве случаев в гидродинамический прогноз нужно вносить лишь незначительные поправки или не вносить их вовсе. Однако иногда значительные ошибки содержатся уже в исходных данных, не говоря о будущем состоянии атмосферы. Тогда прогнозист прибегает к использованию метода траекторий. Он самостоятельно определяет по приземным и высотным картам погоды, откуда в его зону ответственности придёт воздушная масса и какие изменения претерпит она на своём пути. Здесь синоптику помогает личный опыт и опыт его коллег, обобщённый в виде региональных методик прогнозирования. Метеоролог может применять климатические данные, чтобы оценить вероятность получившегося сценария развития погодных процессов. Практика показывает, что такие уточнения численного прогноза могут быть очень полезными.Одна из обычных задач, решаемых в прогностической практике, — прогноз минимальной температуры воздуха (Тмин) на следующие сутки. Ночное понижение температуры зависит от множества факторов: адвекции, влажности воздуха, влияния облачности, турбулентного перемешивания. Рассмотрим самый простой случай — ясная и тихая погода, когда прогноз Тмин может быть дан по формуле советского метеоролога А. С. Зверева:Тмин=Т19-12Т19-Тd19-4,где Т19 и Тd19 — температура и точка росы соответственно в 19 ч по местному времени. Физическая основа данного метода заключается в следующем. Ясно, что чем выше температура воздуха вечером, тем выше будет Тмин к утру следующих суток. Величина Т-Тd представляет собой дефицит точки росы — меру сухости воздуха. Известно, что водяной пар является парниковым газом, препятствующим охлаждению приземного слоя атмосферы. Таким образом, при прочих одинаковых условиях низкая влажность воздуха ночью будет способствовать его охлаждению, что и отражает формула Зверева. Необходимо подчеркнуть, что эмпирические коэффициенты -12 и -4 следует уточнять для каждого пункта прогноза.Рис. SEQ Рис. \* ARABIC 3. Синоптическая карта.Прогноз текущей погоды (наукастинг)Прогноз текущей погоды — особая, совершенно самостоятельная ветвь прогностической метеорологии. Напомним, что заблаговременность такого прогноза не превышает 2 ч. Следовательно, синоптику приходится иметь дело с быстро протекающими атмосферными процессами.