Сегодня мы обратимся к истории одного из самых сложных направлений научного
прогнозирования — метеорологии и, в частности, прогнозирования погоды.
Первый в истории опубликованный прогноз погоды появился 1 августа 1860 года на страницах газеты «Times». Автором прогноза стал сам Фицрой. Однако его деятельность завершилась трагически — 30 апреля 1865 года он покончил с собой. В некоторых источниках причиной упоминается давление, вызванное критикой неточностей его прогнозов, хотя достоверных подтверждений этой версии не существует.
Несмотря на ограниченные технические средства того времени, в метеорологии происходили значимые организационные и технологические изменения. В Европе было создано около двух десятков метеостанций, которые передавали сведения по телеграфной линии с использованием азбуки Морзе. На основе этих данных метеорологи начали составлять погодные карты, соединяя точки с одинаковым атмосферным давлением линиями (изобарами). Так зародилось понятие синоптического анализа и началось формирование базовых моделей циклонов и антициклонов.
В своей работе «The physical basis of long-range weather forecasting», опубликованной в 1901 году, Эббе впервые подчеркнул необходимость применения строгих физических законов к атмосфере: «Метеорология является приложением к атмосфере законов гидродинамики и термодинамики». Несмотря на отсутствие математических моделей, сам подход Эббе стал отправной точкой для последующих теоретических разработок. Он обращался к научному сообществу с призывом: «Посмотрите на задачу прогнозирования серьезно и разрабатывайте графические, аналитические и численные методы ее решения».
В 1904 году норвежский ученый Вильгельм Бьеркнес опубликовал статью «The problem of weather forecasting as a problem in mechanics and physics», в которой сформулировал точную научную постановку задачи. Он предложил двушаговый подход:
Дополнительные сведения и источники приводятся в работе Питера Линча (Peter Lynch) «The origins of computer weather prediction and climate modeling» и в её адаптированном переводе на русском языке: «История развития моделей прогнозирования погоды». В ряде случаев отдельные сведения могут отличаться от данных, представленных в Википедии.
На 2025 год ECMWF использует одну из самых продвинутых глобальных моделей — Integrated Forecasting System (IFS), регулярно обновляемую и улучшаемую. Текущая версия модели имеет горизонтальное разрешение порядка 9 км (примерно в 3 раза выше, чем в 2007 году) и 137 вертикальных уровней. Для инициализации прогноза используется четырёхмерная система ассимиляции данных (4D-Var), в которую поступают данные с наземных станций, зондов, самолетов, радиолокаторов и более 70 спутниковых миссий.
Мощность вычислительного комплекса ECMWF значительно возросла. В 2020 году центр перенёс свою инфраструктуру в Болонью (Италия), где был установлен суперкомпьютер Atos BullSequana XH2000. Его производительность превышает 20 петафлопс, что позволяет выполнять детализированные климатические и метеорологические расчёты в реальном времени. Также ECMWF активно сотрудничает с Европейским космическим агентством (ESA) и программой Copernicus, особенно в рамках проекта Copernicus Climate Change Service (C3S).
ECMWF предлагает следующие виды прогнозов:
Если сравнивать производительность современных систем с «Фабрикой прогнозов» Ричардсона, то разрыв достиг колоссальных масштабов. Оценки показывают, что мощность современных суперкомпьютеров ECMWF превосходит гипотетическую «фабрику» Ричардсона более чем в 1012 раз. Это позволяет не только рассчитать прогноз с высокой точностью, но и моделировать сценарии изменения климата и влияние человека на атмосферу.
Современные прогнозы не только предсказывают погоду на дни и недели вперёд, но и служат важнейшим инструментом для предупреждения природных катастроф, планирования сельскохозяйственной деятельности, обеспечения авиационной и морской безопасности, а также борьбы с изменением климата. Новые проекты, такие как цифровой двойник Земли от ЕС, обещают сделать прогнозирование ещё более детализированным и персонализированным.
Таким образом, мечта Ричардсона о «фабрике прогнозов» в XXI веке стала реальностью — в виде распределённых вычислительных центров, объединённых научным знанием, технологиями и международным сотрудничеством. И хотя погода по-прежнему остаётся сложнейшей и хаотичной системой, современные технологии позволяют нам видеть всё дальше и точнее, чем когда-либо в истории человечества.
Истоки метеорологического прогнозирования
Предполагается, что предсказание погодных условий является одной из первых форм прогнозирования, к которой прибегали люди. Ещё в древние времена возникла потребность определять благоприятные периоды для земледелия, что стало основой для формирования погодных наблюдений и соответствующих примет. Эти эмпирические наблюдения, закреплённые в народной памяти и передававшиеся из поколения в поколение, легли в основу традиционных способов оценки изменений в атмосфере. Например, согласно Википедии, под приметами понимаются «сохраняющиеся в народе и передаваемые из поколения в поколение сведения о различных признаках, указывающих на предстоящие явления погоды». Эти сведения, основанные на обобщённых закономерностях, служили первичной формой погодного прогноза.Развитие метеорологии в эпоху мореплавания
В период активного развития мореплавания и географических открытий прогнозирование погодных условий приобрело практическое значение. Потребность в систематическом учёте метеоусловий обусловила появление первых специализированных организаций. Одним из первых государственных метеорологических учреждений стал Метеорологический департамент, основанный в 1854 году Торговым советом Английского королевского общества. Задачей департамента была оценка погодных условий для морских путей. Руководителем учреждения стал офицер британского флота и бывший губернатор Новой Зеландии — Роберт Фицрой. Он считается одним из основоположников метеорологии как прикладной науки и первым, кто начал публиковать прогнозы для широкой аудитории.Первый в истории опубликованный прогноз погоды появился 1 августа 1860 года на страницах газеты «Times». Автором прогноза стал сам Фицрой. Однако его деятельность завершилась трагически — 30 апреля 1865 года он покончил с собой. В некоторых источниках причиной упоминается давление, вызванное критикой неточностей его прогнозов, хотя достоверных подтверждений этой версии не существует.
Несмотря на ограниченные технические средства того времени, в метеорологии происходили значимые организационные и технологические изменения. В Европе было создано около двух десятков метеостанций, которые передавали сведения по телеграфной линии с использованием азбуки Морзе. На основе этих данных метеорологи начали составлять погодные карты, соединяя точки с одинаковым атмосферным давлением линиями (изобарами). Так зародилось понятие синоптического анализа и началось формирование базовых моделей циклонов и антициклонов.
Переход к математическим методам
Бурное развитие физики в XIX веке, в частности термодинамики и гидродинамики, создало предпосылки для перехода метеорологии от описательной дисциплины к формализованной научной области. Первым, кто начал применять математические методы к задаче прогнозирования, стал американский метеоролог Кливленд Эббе (Cleveland Abbe). Его научная деятельность в области метеорологии началась в 1873 году.В своей работе «The physical basis of long-range weather forecasting», опубликованной в 1901 году, Эббе впервые подчеркнул необходимость применения строгих физических законов к атмосфере: «Метеорология является приложением к атмосфере законов гидродинамики и термодинамики». Несмотря на отсутствие математических моделей, сам подход Эббе стал отправной точкой для последующих теоретических разработок. Он обращался к научному сообществу с призывом: «Посмотрите на задачу прогнозирования серьезно и разрабатывайте графические, аналитические и численные методы ее решения».
В 1904 году норвежский ученый Вильгельм Бьеркнес опубликовал статью «The problem of weather forecasting as a problem in mechanics and physics», в которой сформулировал точную научную постановку задачи. Он предложил двушаговый подход:
- Определение текущего состояния атмосферы.
- Прогнозирование её состояния на последующий временной интервал.
Дополнительные сведения и источники приводятся в работе Питера Линча (Peter Lynch) «The origins of computer weather prediction and climate modeling» и в её адаптированном переводе на русском языке: «История развития моделей прогнозирования погоды». В ряде случаев отдельные сведения могут отличаться от данных, представленных в Википедии.
Идея Ричардсона о прогнозе погоды
Одним из наиболее значимых новаторов в области метеорологии стал Льюис Фрай Ричардсон — ученый, первым применивший численные методы для решения уравнений атмосферы, известных как уравнения Беркенса. Свои идеи он изложил в фундаментальной работе Weather Prediction by Numerical Process, опубликованной в 1922 году.Примечательно, что центральный пример, приведённый Ричардсоном — расчёт изменения давления в конкретной точке Европы, — одновременно стал его величайшим достижением и наиболее критикуемым элементом. Согласно его вычислениям, давление должно было измениться на 14,5 кПа за шесть часов, что в реальных условиях совершенно невозможно. Позднейшие исследования показали, что ошибка крылась в некорректных начальных данных, а сам алгоритм был математически верным.
Несмотря на критику, работа Ричардсона вдохновила последующие поколения математиков и физиков. Однако лишь спустя десятилетия появились технические возможности для полноценной реализации его идей. Наиболее известной частью его труда стал образ «Фабрики прогнозов» — гипотетического центра численного расчета погоды.
Представьте большой зал, подобный театру, где зрительские места заменены рабочими постами. Стены изображают поверхность Земли, потолок — Северный полюс, галерка — Великобританию, бельэтаж — тропики, гардероб — Австралию, а пол — Антарктику. Над каждой точкой планеты трудятся вычислители (в то время слово «computer» означало человека), каждый из которых отвечает за одно уравнение или его часть. Результаты непрерывно передаются между постами. В центре зала — высокая колонна с кафедрой, где стоит руководитель, координирующий расчеты при помощи указки: розовый луч обозначает текущие задачи, голубой — последующие. Эта метафора иллюстрировала масштаб и сложность численного моделирования атмосферы.
Развитие моделей прогнозирования в середине XX века
Возвращение к идеям Ричардсона стало возможным лишь в середине XX века благодаря развитию численных методов, созданию электронных вычислительных машин и использованию радиозондов. В 1946 году в рамках проекта Electronic Computer Project, организованного в Принстонском университете, Джон фон Нейман и Джул Чарни начали работу над задачей численного прогноза погоды.В 1950 году на базе вычислительной машины ENIAC был выполнен первый успешный прогноз погоды. Несмотря на технические ограничения, команда Чарни смогла адаптировать алгоритм Ричардсона и получить практически значимые результаты. Эти исследования, опубликованные между 1947 и 1955 годами, заложили основы современного численного моделирования атмосферы.
В 1951 году немецкий ученый Карл-Хайнс Хинкельманн представил работу Ein numerisches Experiment mit den primitiven Gleichungen, в которой детально проанализировал ограничения модели и предложил более эффективный подход, основанный на использовании примитивных уравнений. Его методология была успешно внедрена в практику Немецкой метеорологической службы в 1966 году.
Существенным шагом вперёд стала работа Нормана Филлипса 1956 года, посвящённая глобальным циркуляционным моделям атмосферы. Модель разбивала поверхность Земли на прямоугольные участки и вводила вертикальную стратификацию атмосферы, что позволило проводить более точные и реалистичные расчёты. Базой всех вычислений по-прежнему служила концепция Ричардсона.
Циркуляционные модели Филлипса стали важнейшим этапом в истории метеорологии. В дальнейшем они усложнялись и совершенствовались, и сегодня именно на их основе строятся как краткосрочные, так и долгосрочные прогнозы погоды.
Современные системы прогнозирования погоды
Сегодня лидерами в области разработки и усовершенствования моделей прогнозирования погоды остаются European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), а также другие ведущие метеорологические службы, включая Национальный центр экологического прогнозирования США (NCEP), Японское метеорологическое агентство (JMA) и Метеорологическое бюро Великобритании (UKMO).На 2025 год ECMWF использует одну из самых продвинутых глобальных моделей — Integrated Forecasting System (IFS), регулярно обновляемую и улучшаемую. Текущая версия модели имеет горизонтальное разрешение порядка 9 км (примерно в 3 раза выше, чем в 2007 году) и 137 вертикальных уровней. Для инициализации прогноза используется четырёхмерная система ассимиляции данных (4D-Var), в которую поступают данные с наземных станций, зондов, самолетов, радиолокаторов и более 70 спутниковых миссий.
Мощность вычислительного комплекса ECMWF значительно возросла. В 2020 году центр перенёс свою инфраструктуру в Болонью (Италия), где был установлен суперкомпьютер Atos BullSequana XH2000. Его производительность превышает 20 петафлопс, что позволяет выполнять детализированные климатические и метеорологические расчёты в реальном времени. Также ECMWF активно сотрудничает с Европейским космическим агентством (ESA) и программой Copernicus, особенно в рамках проекта Copernicus Climate Change Service (C3S).
ECMWF предлагает следующие виды прогнозов:
- Краткосрочные прогнозы до 15 дней вперёд с интервалом 6 часов
- Месячные прогнозы до 46 суток
- Сезонные прогнозы до 7 месяцев вперёд
- Оценка экстремальных погодных явлений и риска наводнений
Если сравнивать производительность современных систем с «Фабрикой прогнозов» Ричардсона, то разрыв достиг колоссальных масштабов. Оценки показывают, что мощность современных суперкомпьютеров ECMWF превосходит гипотетическую «фабрику» Ричардсона более чем в 1012 раз. Это позволяет не только рассчитать прогноз с высокой точностью, но и моделировать сценарии изменения климата и влияние человека на атмосферу.
Заключение
Идеи Льюиса Ричардсона, высказанные более ста лет назад, когда вычисления выполнялись вручную, а численные модели только начинали формироваться, стали фундаментом современной науки о погоде. Сегодня, благодаря мощным суперкомпьютерам, спутниковым системам наблюдения и постоянно совершенствующимся алгоритмам обработки данных, человечество приблизилось к созданию глобальной «цифровой атмосферы» — точной и оперативной копии реальных погодных процессов.Современные прогнозы не только предсказывают погоду на дни и недели вперёд, но и служат важнейшим инструментом для предупреждения природных катастроф, планирования сельскохозяйственной деятельности, обеспечения авиационной и морской безопасности, а также борьбы с изменением климата. Новые проекты, такие как цифровой двойник Земли от ЕС, обещают сделать прогнозирование ещё более детализированным и персонализированным.
Таким образом, мечта Ричардсона о «фабрике прогнозов» в XXI веке стала реальностью — в виде распределённых вычислительных центров, объединённых научным знанием, технологиями и международным сотрудничеством. И хотя погода по-прежнему остаётся сложнейшей и хаотичной системой, современные технологии позволяют нам видеть всё дальше и точнее, чем когда-либо в истории человечества.