Многие воспринимают погоду как неизбежность. Для них дождливые дни отличаются от ясных лишь тем, что в первом случае нужно не забыть плащ и зонтик. Однако для фермеров, летчиков, моряков и многих других людей благополучие и даже жизнь в существенной мере зависят от благосклонности природы. Для того чтобы выжить, им нужно постараться предвидеть погоду и согласовывать свою деятельность с ее проявлениями. Это требует создания прогноза погоды как можно более точного и по возможности на более длительный срок.
Любой, кто регулярно следит за погодой, может попробовать себя в качестве прогнозиста. Если наблюдать за атмосферным давлением, типами облаков, силой ветра, можно достаточно точно предсказать за день-два ухудшение погоды. В средних широтах прогноз, основанный на наблюдениях в одной точке, наиболее эффективен в зимнее время, когда погода определяется громадными, медленно перемещающимися циклонами и антициклонами. Но иногда бури ведут себя аномально и движутся не так, как обычно. В некоторых случаях они могут задержаться над одним районом и даже повернуть вспять.
Когда и где разразятся такие быстротечные явления, как грозы, град, торнадо, заблаговременными наблюдениями точно предсказать нельзя, поскольку за день до этого события связанные с ними облака еще и не начинали образовываться. Для квалифицированного предсказания таких явлений необходимы карты погоды, дающие детальное представление о состоянии атмосферы во всех трех измерениях. Такие карты должны включать в себя информацию о вертикальном зондировании атмосферы во многих пунктах над интересующим нас районом. Они должны показывать, как меняются с высотой давление, температура, влажность и ветер. Эти данные указывают, является ли атмосфера стабильной или нестабильной, позволяют оценить вероятность гроз и сопутствующих бурных проявлений погоды.
Существует множество способов предсказания погоды — одни лучше, другие хуже, но судить о том, насколько правильна та или иная процедура прогнозирования, зачастую бывает трудно.
Легко ли предсказывать погоду
Если вас удовлетворит ситуация, когда в 50 случаях из 100 вы окажетесь правы, то дать прогноз, будет ли дождь завтра, в этот день через год или даже через сто лет, не представляет труда и есть много способов, как это сделать. Первый способ — бросить монету. С метеорологической точки зрения результат будет бессмысленным, однако он поможет нам сделать относительно погоды некоторые выводы. Есть другой, более экстравагантный, но столь же лишенный смысла метод прогнозирования, получивший больше внимания, чем он заслуживает. Этим методом пользуются астрометеорологи, предсказывающие погоду на основе взаимного расположения планет. Некоторые судят о предстоящей погоде по поведению гусениц, пауков, аквариумных рыбок. Есть множество примет, по которым угадывают погоду, наблюдая за поведением животных. В опубликованном в 1883 г. сборнике «Приметы погоды» Г. Данвуди находим: «Зяблик поет — дождь пойдет» или «Дрозд поет на закате к ясной погоде». Большинство таких примет мало что могут дать для прогнозирования, однако те, которые связаны с цветом облаков или неба, действительно помогут предсказать погоду следующего дня.
Во многих районах мира ваш прогноз в большинстве случаев будет верным, если на завтра вы просто предскажете погоду сегодняшнего дня. Такой прием известен как «устойчивый прогноз». Особенно успешно его можно применять в засушливых районах, где дожди редки, или наоборот, в дождливых районах, где осадки выпадают очень часто. Когда вы читаете о прогнозировании погоды, важно отдавать себе отчет в том, что можно с достаточно высокой вероятностью предсказать погодные явления, даже не имея ни малейшего представления о процессах, протекающих в атмосфере. Это возможно при использовании статистически обработанных климатических данных.
Рассмотрим следующий пример. Длительный ряд наблюдений показывает, что в Лос-Анджелесе из 62 дней июля и августа в среднем лишь один день случается дождливым. Следовательно, предсказывая отсутствие дождя в Лос-Анджелесе в любой из июльских или августовских дней 1990 г. вы с вероятностью около 98% окажетесь правы. Ясно, что вам вовсе не нужно быть опытным метеорологом, чтобы добиться таких выдающихся результатов. Это может сделать любой, кто располагает климатическими данными. Такие данные можно использовать для предсказания погодных условий и в тех местах, где осадки выпадают достаточно часто. В Чикаго в июле наблюдается в среднем 9 дождливых дней. Если вас попросят предсказать погоду на 15 июля 1990 г. вы поступите достаточно мудро, предсказав дождь, даже несмотря на то что вероятность дождя в этот день составляет 30%. И если дождливым случится 14 или 16 июля, вы всегда можете сказать: «Безусловно, мой прогноз небезупречен, но все же это большое достижение — я ошибся всего лишь на один день, хотя прогноз давал за несколько лет».
Такого рода подход ведет к сильной переоценке возможностей прогнозиста. Если вероятность дождя в данный день составляет 30%, то вероятность дождя за трехдневный период, включая предыдущий и последующие дни, будет составлять 66%. Это положение является строгим в том случае, если вероятность дождя в каждый конкретный день не зависит от вероятности дождя в другие дни. Следовательно, дождь в Чикаго весьма вероятен либо 15 июля 1990 г., либо за день до этого, либо на следующий день.
Таким образом, отправной точкой наших рассуждений явилось то, что, ничего не зная ни о состоянии атмосферы, ни о гусеницах, ни о положении планет и располагая лишь климатическими данными, можно предсказать вероятность выпадения дождя в любое время в сколь угодно далеком будущем. Подобный прогноз более реален, чем прогноз, основанный на простом угадывании или на бросании монеты. Он особенно полезен в предсказании погоды где-нибудь в дальних краях, где климат отличается от хорошо вам известного климата родного города.
Метеорологи стремятся к тому, чтобы точность прогнозов была выше той, которой можно достичь, опираясь лишь на климатические данные. Точность в конце концов и определяет квалификацию прогнозиста. Хороший прогнозист должен хотя бы время от времени точно указывать, в какой конкретно день июля или августа пойдет дождь в Лос-Анджелесе.
Вычислительные машины
В истории метеорологии известно немало лиц, обладавших уникальными способностями в прогнозировании погоды. Очевидно, на основе накопленного опыта они могли определять, как будет в последующие дни меняться давление и положение фронтов. Это лишь предположение, поскольку выдающиеся прогнозисты, такие, как легендарный Чарльз Митчел, работавший с 1904 по 1950 г. в Бюро погоды США, не могли достаточно внятно объяснить свою методу или передать кому-нибудь свой опыт. На помощь современным метеорологам пришли быстродействующие ЭВМ, способные обработать результаты измерения атмосферных параметров, проанализировать карты погоды, использовать математические модели для расчета состояния атмосферы в будущем.
До того как в 50-х годах на помощь метеорологам пришли электронно-вычислительные машины, прогнозы, как правило, основывались на экстраполяции уже зарегистрированных данных. Метеоролог просматривал серию карт погоды, исследуя эволюцию областей высокого и низкого давления, а также развитие и движение фронтов. На картах отмечались районы быстрого падения или роста атмосферного давления. Для определения господствующего переноса воздушных масс и оценки возможности зарождения циклона во внимание принимались данные по распространению облачности, дождя или снега. Искусство прогнозирования погоды состояло в субъективном учете многих подобных факторов. В противоположность этому наука прогнозирования основывается на использовании математических моделей атмосферы.
Для прогнозирования погоды используются математические модели, подобные моделям общей циркуляции атмосферы. Из-за чрезвычайной сложности взаимодействия атмосферных параметров уравнения моделей могут быть решены только с использованием техники. Такие методы математики называют численными методами. По этой причине используемые метеорологами современные методы называются численными методами прогноза погоды. В основу расчета берется известное начальное состояние атмосферы и далее рассчитываются те изменения, которые произойдут через некий, достаточно короткий промежуток времени, например через 10 мин. Это дает новый набор данных, который в свою очередь используется для расчета условий через следующий короткий промежуток времени. Такая процедура повторяется столько раз, сколько нужно для прогноза на определенный срок.
К сожалению, ошибки, которые неизбежно вводятся в модель с начальными данными, например из-за неточности измерения наблюдаемых параметров, в процессе расчета имеют тенденцию расти. При расчете параметров состояния атмосферы на неделю или более ошибки становятся столь большими, что делают дальнейший прогноз бессмысленным.
Численные методы прогноза погоды требуют детального и точного знания состояния атмосферы в начале прогнозируемого периода. Необходимые исходные данные поставляет главным образом глобальная сеть станций радиозондирования атмосферы. Радиозонд представляет собой прибор, запускаемый на воздушном шаре на высоту до 35 км. По мере подъема радиозонд измеряет давление, температуру, влажность воздуха и передает эту информацию по радио на землю. Следящая за радиозондом наземная установка определяет по его положению в пространстве скорость ветра. Станции радиозондирования на суше отстоят друг от друга на расстояния в несколько сотен километров. Они расположены главным образом в экономически развитых странах. В Северной Америке функционирует 110 таких станций. Радиозонды запускаются дважды в день за 30-40 мин до полудня и полночи по Гринвичскому времени.
В апреле 1960 г. с запуском первого метеорологического спутника открылась новая эпоха в метеорологии. В последующие годы роль спутниковых наблюдений росла. С помощью спутников проводятся наблюдения за температурой, влажностью, скоростью ветра, распределением облаков. Спутники показывают нам положение и размеры циклонических систем. Особое значение эти наблюдения приобретают над океанами, где станции радиозондирования располагаются на островах или на судах и сеть их весьма разрежена.
Данные радиозондов и спутников дополняются данными наземной сети метеостанций. В соответствии с разработанным Всемирной метеорологической организацией международным соглашением метеорологические данные со всего мира передаются в Мировые центры данных в Вашингтоне, в Москве и в Мельбурне, а также во все национальные метеорологические учреждения.
Ежедневный объем получаемой метеорологической информации чрезвычайно велик. Например, лишь один спутник может передавать ежесекундно до 2 миллионов бит данных. К счастью, мощные современные компьютеры способны перерабатывать горы такой информации и за достаточно короткий срок прогнозировать предстоящие изменения погоды. Однако по мере усложнения моделей общей циркуляции для расчетов требуются все более мощные и быстродействующие ЭВМ.
Долгосрочный прогноз
Количество информации, необходимое для прогнозирования погоды, зависит от того, на какой срок разрабатывается прогноз. Лучший способ предсказать, какая будет погода через 10 мин, это просто выглянуть в окно, оценить состояние погоды и представить, что может случиться в эти ближайшие 10 мин. При некоторых обстоятельствах такой прием вполне применим для прогнозирования погоды и на один-два часа вперед. Но все же в этом случае лучше знать состояние атмосферы хотя бы в радиусе сотни километров вокруг пункта, для которого составляется прогноз. Для наблюдения за местными погодными явлениями, такими, как грозовые облака, может быть использована система радаров.
Прогноз общей картины движения воздушных масс в средней атмосфере на один день вперед методами численного моделирования потребует использования данных целиком по всему полушарию. Если прогноз дается более чем за три дня, необходимо уже учитывать влияние океана на погодные условия. А разработка прогноза на неделю вперед потребует использования данных наблюдений целиком для всей атмосферы вплоть до высоты 30 км и океанов до глубины порядка 10 м. Получение такого объема исходной информации может быть достигнуто только при использовании спутниковых наблюдений.
Численное моделирование используется для расчета полей давления, ветра, температуры на нескольких уровнях в атмосфере, параметров вертикального перемещения воздушных масс, вероятности дождя или снега, а так же количества осадков. В Соединенных Штатах Национальный метеорологический центр в Вашингтоне отвечает за сбор результатов наблюдений, составление различных видов карт погоды, численный расчет прогноза погоды, передачу результатов внутри США и за границу. Ежедневно около 500 карт погоды и диаграмм передаются по телефонным каналам или по радио и принимаются печатающими факсимильными аппаратами, установленными на государственных метеостанциях, в университетах, в частных организациях. Кроме того, системой телетайпов распространяются данные ежечасных наблюдений (а в плохую погоду даже более частых), выполняемых на станциях в аэропортах, в городах и т. д. Эти данные особенно важны для штурманов и авиационных диспетчеров, а также для всех тех, кому важно знать о быстрых изменениях погодных явлений.
Прогнозируя максимальные и минимальные температуры, осадки, ветер в любом месте, метеоролог использует выходные данные прогностических моделей. Кроме того, прогнозист должен учитывать, как меняется состояние атмосферы в периоды между сроками, на которые составляются прогнозные карты, как влияют на погоду особенности данной местности.
Качество прогноза
Точность расчетных моделей для прогнозирования погоды можно проверить при сравнении расчетных значений давления с теми, которые действительно будут измерены в прогнозируемые сроки. Подобное сравнение было выполнено Фредериком Шуманом, директором Национального метеорологического центра. График на этом рисунке показывает уровень качества прогнозирования картины распределения давления на высоте, соответствующей давлению 500 мбар. Общий рост кривой демонстрирует повышение точности прогноза по мере совершенствования расчетных моделей (барическая, геострофическая и т. д.). На рисунке также отмечены марки все более совершенных, более крупных и быстродействующих ЭВМ, которые приходилось использовать для решения усложняющихся расчетных моделей прогноза. Так, например, быстродействие ЭВМ марки ИБМ 360/195, использование которой началось в 1974 г., в 600 раз выше, чем машины 50-х годов ИБМ 701. По мнению Шумана, точность трехдневного и шестидневного прогноза атмосферной циркуляции в наши дни существенно возросла по сравнению с серединой 50-х годов. В то же время точность прогноза осадков, максимальной и минимальной температур хотя и возросла в последние десятилетия, но далеко не в той мере, как точность прогноза давления в свободной атмосфере.
Во многих случаях процент правильных прогнозов слабо отражает уровень мастерства прогнозирования, а вот изменение процента правильных прогнозов действительно может показать, совершенствуют ли метеорологи свою квалификацию. Кривая демонстрирует, как росла точность прогнозирования погоды в Чикаго, особенно с началом использования вычислительной техники.
Оправдываемость прогноза температуры и осадков в Чикаго в период с 1942 по 1981 г. (в процентах). Каждая точка на графике представляет средневзвешенное значение за пятилетний период: при этом центральный год в пятилетнем периоде взят с весом 4, два соседних — с весом 2 и два крайних — с весом 1. Черный квадрат представляет средневзвешенное за трехлетний период, а светлый квадрат — данные 1981 г.
Американское метеорологическое общество в 1959 г. сформулировало также критерии качества прогноза погоды в Северном полушарии:
На период до 48 часов: В условиях когда погода определяется крупномасштабными погодными системами, точность прогноза облачности, качества воздуха, температуры и осадков весьма высокая. В целом по району такие опасные явления, как грозы, торнадо, могут быть предсказаны за 24 часа, однако указать точное место, где они произойдут, невозможно. Если отмечено начало образования грозы или торнадо, дальнейший их маршрут движения может быть точно спрогнозирован на 1-2 часа вперед.
На период от 2 до 5 дней: Прогноз дневной температуры возможен с умеренной точностью. Прогноз осадков с такой же точностью возможен лишь на 3 дня. Точность прогноза осадков на 4-5 дней может быть лишь ненамного лучше по сравнению с тем, что можно получить с использованием климатологических подходов.
На период от 5 дней до 1 месяца: Менее или более точно можно спрогнозировать средние значения температуры, особенно от 5 до 10 дней. Точность прогноза осадков на этот период весьма мала, и 10 дней является предельным сроком. При прогнозировании погоды на срок более 10 дней какая-либо точность отсутствует.
На период свыше 1 месяца: Можно лишь очень приблизительно дать характеристику предстоящего сезона.
В тропических широтах и в Южном полушарии качество прогнозов ниже, чем в средних широтах Северного полушария, где более густая сеть станций и где точнее определяются характеристики погодных систем.
Передача прогнозов погоды
Большинство людей узнают о прогнозе погоды по радио, телевидению, из газет, а в штормовые дни особенно часто по телефону. В Соединенных Штатах информационный отдел Национальной службы погоды ежегодно отвечает примерно на миллиард телефонных запросов. Только в одном Нью-Йорке имеется около 1600 телефонных номеров, по которым можно получить информацию о погоде. Радиостанция «Погода» Национального управления по исследованию океанов и атмосферы осуществляет непрерывную передачу прогноза погоды для всех, кто живет в радиусе ее действия. С 1975 г. Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы начало передачу информации о погоде непосредственно из здания Национальной службы погоды. Эти передачи можно принимать любым, самым дешевым радиоприемником. В США насчитывается около 15 миллионов получателей погодной информации. Особенно важны такие радиопередачи для людей, живущих в тех районах, где случаются торнадо, ураганы, стремительно развивающиеся наводнения.
В большинстве телевизионных выпусков новостей отводится место сведениям о погоде. Национальная служба погоды готовит почти для двухсот передающих станций специальную 15-минутную передачу о погоде, в которой главное место отведено авиационным аспектам. В 1982 г. вышла в эфир специальная телевизионная программа, полностью посвященная погоде. Руководит этой 24-часовой программой Джон Колеман, президент компании. Из штаб-квартиры этой компании в Атланте, шт. Джорджия, идет непрерывный поток информации о состоянии погоды, о прогнозах, даются советы, сообщается о необычных ситуациях. При подготовке программы используется современная, чрезвычайно сложная аппаратура для наблюдения и графического представления материала. Ее обслуживает большой штат высококвалифицированных метеорологов.
Правительственные и частные службы прогноза
Вид прогноза и его значение в существенной степени зависят от квалификации специалистов, от того, какие обязательства на них накладываются, от их ответственности за правильность прогноза. Основной задачей Национальной службы погоды является обеспечение прогнозом погоды всего населения страны и в первую очередь прогнозирование особо опасных явлений, угрожающих жизни людей и материальным ценностям. Прогноз развития и движения ураганов выполняется расположенным в Майами, шт. Флорида, Национальным центром наблюдения за ураганами. Ответственность за предсказание мощных гроз, града, торнадо возложена на Национальный центр службы штормовых предупреждений в Канзас-Сити, шт. Миссури.
Действующим федеральным законодательством Национальной службе погоды вменено в обязанность специализированное обеспечение погодной информацией пилотов, моряков, специалистов сельского хозяйства. Например, производители цитрусовых во Флориде получают специальное предупреждение о потенциальной угрозе заморозков, регулярно выпускаются штормовые предупреждения для рыбаков и моряков. В 1982 г. федеральное правительство, проводя политику сокращения ассигнований на социальные нужды, рассматривало вопрос о сокращении финансирования на метеорологическое обслуживание сельского хозяйства, авиации и других отраслей, которые традиционно получали информацию о погоде без каких-либо прямых затрат. Федеральное правительство не финансирует метеорологического обеспечения таких потребителей информации о погоде, как строительные компании, автомобильный и железнодорожный транспорт, электрические и газовые компании, сталелитейные и нефтеочистительные заводы, санатории и спортивные сооружения.
Тем, кто предъявляет специальные требования к метеорологической информации, не следует целиком полагаться лишь на общий прогноз температуры, ветра и осадков, который выпускает Национальная служба погоды. В данном случае помочь извлечению максимальной выгоды при хорошей погоде и свести к минимуму потери при плохой могли бы услуги квалифицированных метеорологов. Такой специалист, хорошо зная влияние погодных условий на конкретное предприятие, может дать действительно ценный совет. Кроме того, метеоролог-консультант постоянно держит под контролем нужды своего клиента. Как и в любом деле, некоторые обладают большей квалификацией, другие — меньшей. Американское метеорологическое общество располагает списком специалистов, отвечающих требованиям, предъявляемым к метеорологам-консультантам.