Наука прогнозирования погоды каждый день попадает в поле зрения общественности. Когда прогноз верен, мы редко комментируем его, но мы часто ворчим, если синоптики опять ошиблись. Сможем ли мы когда-нибудь добиться идеального прогноза с точностью до часа?
В развитых странах подготовка прогноза погоды состоит из множества этапов. Он начинает свою жизнь как глобальный «снимок» атмосферы в определенное время, нанесенный на трехмерную сетку точек, охватывающую весь земной шар и простирающуюся от поверхности до стратосферы (а иногда и выше).
Содержание
С помощью суперкомпьютера и сложной модели, которая описывает поведение атмосферы с помощью физических уравнений, этот снимок затем сдвигается вперед во времени, что позволяет получить многие терабайты необработанных прогнозных данных. Затем синоптикам приходится интерпретировать эти данные и превращать их в осмысленный прогноз, который сообщается общественности.
Что происходит в настоящей погоде
Прогнозирование погоды — это огромная проблема. Начнем с того, что мы пытаемся предсказать то, что по своей сути непредсказуемо. Атмосфера представляет собой хаотичную систему — небольшое изменение состояния атмосферы в одном месте может иметь поразительные последствия в течение долгого времени в других местах. Это то, что один ученый назвал так называемым эффектом бабочки.
Любая ошибка, возникающая в прогнозе, будет быстро расти и вызывать дальнейшие ошибки в более широком масштабе. А поскольку при моделировании атмосферы нам приходится делать множество допущений, становится ясно, как легко могут возникнуть ошибки в прогнозе. Для идеального прогноза нам необходимо устранить все ошибки.
Точность прогнозирования постоянно улучшается. Современные прогнозы, безусловно, намного надежнее, чем до эпохи суперкомпьютеров. Самые ранние опубликованные прогнозы в Великобритании относятся к 1861 году, когда офицер Королевского флота и увлеченный метеоролог Роберт Фицрой начал публиковать прогнозы в газете The Times.
Его методы заключались в построении погодных карт на основе наблюдений в небольшом количестве мест и составлении прогнозов на основе того, как погода развивалась в прошлом, когда карты были похожи. Но его прогнозы часто оказывались неверными, поэтому пресса обычно занималась их критикой.
Большой скачок вперед был сделан, когда в 1950-х годах в сообществе прогнозистов появились суперкомпьютеры. Первая компьютерная модель была намного проще, чем сегодняшние, и предсказывала всего одну переменную на сетке с шагом более 750 км.
Эта работа проложила путь для современного прогнозирования, принципы которого по-прежнему основаны на том же подходе и той же математике, хотя модели сегодня намного сложнее и предсказывают гораздо больше переменных.
В настоящее время прогноз погоды, как правило, состоит из нескольких прогонов метеорологической модели. В оперативных метеорологических центрах обычно используется глобальная модель с шагом сетки около 10 км, результаты которой передаются в модель более высокого разрешения, работающую на локальной территории.
Чтобы получить представление о неопределенности прогноза, многие метеорологические центры также запускают ряд параллельных прогнозов, каждый из которых содержит небольшие изменения, внесенные в первоначальный снимок. Эти небольшие изменения растут в течение прогноза и дают синоптикам оценку вероятности того, что что-то произойдет — например, процентную вероятность дождя.
Будущее прогнозирования
Эпоха суперкомпьютеров сыграла решающую роль в развитии науки прогнозирования погоды (и, более того, прогнозирования климата). Современные суперкомпьютеры способны выполнять тысячи триллионов вычислений в секунду, хранить и обрабатывать петабайты данных. Суперкомпьютер Cray в Метеорологическом управлении Великобритании обладает вычислительной мощностью и хранит данные около миллиона смартфонов Samsung Galaxy S9.
Это означает, что есть вычислительная мощность для запуска моделей с высоким разрешением и включения множества переменных в прогнозы. А это также означает, что можно обрабатывать больше входных данных при создании первоначального «снимка», создавая более точную картину атмосферы для начала прогноза.
Этот прогресс привел к повышению точности прогнозирования. Точное количественное выражение этого факта было представлено в исследовании Nature Питером Бауэром, Аланом Торпом и Жильбером Брюне, которые назвали прогресс в прогнозировании погоды «тихой революцией».
Они показали, что точность пятидневного прогноза в настоящее время сопоставима с точностью трехдневного прогноза около 20 лет назад, и что каждое десятилетие мы набираем примерно один день увеличения точности. По сути, сегодняшние трехдневные прогнозы столь же точны, как и двухдневные прогнозы десятилетней давности.
Но будет ли такой рост мастерства продолжаться в будущем? Отчасти это зависит от того, какого прогресса мы сможем добиться с помощью суперкомпьютерных технологий. Более быстрые суперкомпьютеры означают, что мы сможем запускать наши модели с более высоким разрешением и отслеживать еще больше атмосферных процессов, что теоретически приведет к дальнейшему повышению точности прогнозов.
Согласно закону Мура, начиная с 1970-х годов, компьютерная вычислительная мощность удваивалась каждые два года. Однако в последнее время этот процесс замедлился, поэтому для будущего прогресса могут потребоваться другие подходы, например, повышение вычислительной эффективности наших моделей.
Так сможем ли мы когда-нибудь предсказывать погоду со 100% точностью?
Если коротко, то нет.
В атмосфере 2×10⁴⁴ (200 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) молекул, находящихся в хаотичном движении — попытка отследить их все абсолютно недостижима. Хаотическая природа погоды означает, что пока мы вынуждены делать предположения о процессах в атмосфере, всегда существует возможность появления ошибок в модели.
Прогресс в моделировании погоды может улучшить эти статистические представления и позволить нам делать более реалистичные предположения, а более быстрые суперкомпьютеры могут позволить нам добавить больше деталей или разрешения в наши модели погоды, но в основе прогноза лежит модель, которая всегда будет требовать некоторых предположений.
Однако, пока ведутся исследования по улучшению этих предположений, будущее прогнозирования погоды выглядит радужным. И насколько близко мы сможем подойти к идеальному прогнозу, еще предстоит увидеть.
Читайте также: Штральзундский инцидент 1665 года