AnyBlog.net

AnyBlog.net @AnyBlog

Путь прогноза погоды: от первых наблюдений до современных моделей


Сегодня мы обратимся к истории одного из самых сложных направлений научного прогнозирования — метеорологии и, в частности, прогнозирования погоды.

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:
  1. Определение текущего состояния атмосферы.
  2. Прогнозирование её состояния на последующий временной интервал.
Бьеркнес также определил набор из семи основных переменных, необходимых для описания атмосферы: давление, температура, плотность, влажность и три компонента скорости воздушного потока. Он разработал систему уравнений, включающую уравнения движения, уравнение непрерывности, уравнение состояния и термодинамические уравнения, что стало основой для построения первых численных моделей прогноза погоды.

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
Также значительное внимание уделяется разработке климатических моделей в рамках программы Destination Earth, направленной на создание цифрового двойника Земли к 2030 году.

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.

Теги: прогноз погоды, метеорология, история науки, численные модели, метеорологические департаменты

Опубликовано: 24.05.2025