Наталья Летунова. Не разбрызган
Согласно данным Гисметео, в ближайшее время на большей части России ожидаются дожди. Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) подробно объяснили, как формируются современные прогнозы погоды. Они рассказали о сроках подготовки прогнозов в России, факторах, влияющих на их точность, достоверности долгосрочных прогнозов, а также расшифровали популярные метеорологические термины. Например, эксперты пояснили, что означает фраза «ощущается как -21°С», как интерпретировать «67% осадков», что является причиной ураганов и как ученые постоянно работают над повышением надежности прогнозов.
История прогнозирования: от примет до барометра
Опросы ВЦИОМ показывают, что более половины россиян (54%) регулярно следят за прогнозом погоды и в целом доверяют ему. При этом 67% опрошенных отмечают, что на практике данные метеослужб чаще всего подтверждаются.
Научный подход к прогнозированию погоды зародился в 1643 году с изобретением ртутного барометра Евангелистой Торричелли и Винченцо Вивиани, учениками Галилео Галилея. Именно тогда появилась единица измерения атмосферного давления — миллиметр ртутного столба. В России же систематические метеонаблюдения начались в 1834 году после указа императора Николая I об организации общероссийской сети метеорологических и магнитных наблюдений.
— Стремление предсказать погоду существует с древнейших времен, еще до появления письменности. Сегодня сложные инструменты, технологии и накопленные знания заменили ежедневные наблюдения, народные приметы и суеверия. Все это нашло отражение в фольклоре: например, считается, что вороны сбиваются в стаи перед ненастьем, а белки строят низкие гнезда, если ожидается суровая зима. В древности роль предсказателей выполняли шаманы и старейшины. Позже этим занялось монашеское духовенство, которое начало вести записи о погодных явлениях. Они сравнивали данные за несколько лет, пытаясь найти закономерности, но точность таких прогнозов была невысока, — рассказывает доцент кафедры социологии и политологии ПНИПУ Константин Антипьев.
Современные методы: численные модели и данные
Ведущей организацией по прогнозированию погоды в России является Росгидромет и его подразделения. Для своей работы служба использует как отечественные, так и зарубежные ресурсы и технологии, включая спутниковые данные, радиозонды и, что особенно важно, численные модели. Этот комплексный подход позволяет создавать как краткосрочные, так и долгосрочные прогнозы, которые критически важны для авиации, сельского хозяйства, строительства и обеспечения гражданской безопасности.
— Численные модели основаны на сложных математических уравнениях, которые описывают поведение глобальной атмосферы. Они позволяют метеорологам анализировать и прогнозировать погодные условия, используя данные из множества источников: метеостанций, спутников, детекторов, морских буев и других. Модель учитывает информацию о температуре воздуха, осадках, атмосферном давлении, влажности, солнечной активности и многих других параметрах. Используя текущие данные, синоптики могут предсказывать изменения погоды на определенный срок вперед: от нескольких часов (краткосрочный прогноз) до дней и даже недель (среднесрочный и долгосрочный прогноз), — поясняет эксперт ПНИПУ, член Русского географического общества Максим Симакин.
Космические технологии: спутники и радиозонды
— Космические аппараты на околоземной орбите предоставляют бесценные данные о погодных условиях: облачности, температуре поверхности, влажности, ветре, а также о состоянии снежного и ледяного покрова. Эта информация используется для глобального мониторинга атмосферы и является фундаментом для многих прогнозов, — отмечает Максим Симакин.
Метеорологи активно используют спутниковые снимки для анализа облачных систем, отслеживания траекторий ураганов и тропических циклонов, изучения состояния поверхности Земли, обнаружения лесных пожаров и решения множества других задач. Часть спутниковых данных недоступна широкой публике, однако многие ресурсы открыты. Например, в приложении Windy можно в реальном времени наблюдать за ледовой обстановкой или облачностью в Арктическом регионе.
Метеозонды, или радиозонды, — это устройства для измерения параметров атмосферы на разных высотах. Их запускают с помощью специальных гелиевых шаров. Зонды оснащены датчиками температуры, давления и влажности, которые передают информацию на землю в режиме реального времени. Современные модели также могут включать GPS-модули для точного определения положения и высоты. Эта технология играет ключевую роль, предоставляя данные об атмосферных условиях в верхних слоях, недоступных для наземных станций. В отличие от спутников, которые дают общую картину, радиозонды фиксируют погоду в конкретной точке вертикального столба атмосферы.
На высоте около 30 километров гелиевый шар лопается из-за перепада давления, и зонд начинает падение. Обычно он оснащен парашютом, который замедляет спуск и минимизирует повреждения. После этого оборудование может быть найдено и использовано повторно.
Точность прогнозов: возможности и ограничения
Надежность прогноза зависит от трех основных факторов: качества оборудования, точности численных моделей и полноты исходных данных — плотности сети метеостанций, океанских буев, дорожных камер и других инструментов, «покрывающих» область прогноза. Также крайне важно разрешение модели — оно определяет детализацию прогноза для конкретной местности. Несмотря на постоянное совершенствование, модели все еще могут давать сбои из-за необходимого упрощения и аппроксимации физических уравнений. Поэтому ни одна модель, особенно в условиях сложного рельефа, например, в горных районах, не может гарантировать 100% точность.
Существуют и фундаментальные, природные ограничения. Атмосфера — это сложная, хаотичная и динамичная система. Даже самые передовые технологии не могут полностью преодолеть ограничения, связанные с непредсказуемостью воздушной оболочки нашей планеты, особенно когда речь идет о долгосрочных прогнозах.
Наиболее точные прогнозы обычно получаются при комбинировании данных из разных источников и моделей, что позволяет учесть различные аспекты атмосферных процессов. Чем больше совпадений между независимыми моделями, тем выше вероятность, что прогноз окажется верным.
В ближайшие несколько дней точность прогнозов может достигать 90%, однако после первой недели она резко снижается, поскольку даже незначительные изменения в атмосфере способны вызвать кардинальные перемены в погоде.
Почему прогнозы так часто меняются?
— В прогнозировании ярко проявляется «эффект бабочки», когда малейшая неточность в исходных данных может радикально изменить весь прогноз. Даже самые современные методы измерений не в состоянии уловить все нюансы состояния атмосферы. Это особенно критично для точных краткосрочных прогнозов, — объясняет Максим Симакин.
Компьютерные модели, основанные на математических уравнениях, имеют свои ограничения по разрешению и точности. Некоторые мелкомасштабные процессы, такие как формирование отдельных облаков или локальные ветры, предсказать крайне сложно. Грозовые фронты, тропические циклоны или ливни могут развиваться и менять траекторию стремительно.
Создание прогноза — это не только сбор данных и работа моделей, но и их профессиональная интерпретация. В ответственных сферах, таких как энергетика, авиация или промышленность, окончательный прогноз всегда делают люди-метеорологи, хотя и опираясь на данные инструментов и моделей. Иногда, получив новую информацию или пересмотрев предыдущие данные, синоптики вносят коррективы, что может изменить всю картину ожидаемой погоды.
Пределы предсказания: насколько далеко можно заглянуть?
Самые длительные по периоду — это сезонные прогнозы (на месяц и более). Они могут указать лишь вероятность наступления тех или иных погодных условий, но не конкретные даты и параметры. Долгосрочные прогнозы часто базируются на климатических моделях и глобальных тенденциях, таких как циркуляция атмосферы и океана. Они гораздо менее точны и предсказывают лишь общие тренды, например, будет ли лето засушливым, а зима — холодной.
Температура: реальная и ощущаемая
Температура воздуха измеряется термометром на стандартной высоте около двух метров над землей. Также важно понимать температуру поверхности почвы и воды, для чего используются инфракрасные или контактные датчики. Эти данные необходимы для расчета риска заморозков, гроз и других явлений. В авиации показатели температуры на разных высотах помогают определять зоны турбулентности.
— Всем известно, что при минус 15 градусах и сильном северном ветре человек замерзнет гораздо быстрее, чем в безветренный день. Это описывается специальным параметром — индексом охлаждения ветром. Он указывает, какую температуру почувствует человек с учетом скорости и направления ветра, — объясняет Максим Симакин.
Расчет ведется по специальной формуле, выведенной во время второй антарктической экспедиции 1911-1912 годов. Ученые проводили эксперименты: выставляли на открытый воздух две емкости с водой — одну защищенную от ветра, другую нет — и засекали время до замерзания. Параллельно фиксировались температура воздуха и скорость ветра. По разнице во времени замерзания определялась разница между фактической и «ощущаемой» температурой. Сегодня в интернете можно найти специальные таблицы, связывающие эти значения со скоростью ветра.
Обратите внимание: Прогноз магнитных бурь 11-22 сентября.
Например, если температура -15°C, а ветер дует со скоростью 3 метра в секунду, человек будет ощущать холод как при -21°C.Роль атмосферного давления
Атмосферное давление — это сила, с которой воздух давит на поверхность Земли. Оно создается весом воздушного столба от поверхности до верхних слоев атмосферы. Разница в давлении — первопричина ветра, который дует из области высокого давления в область низкого. Ветер, в свою очередь, переносит теплые или холодные воздушные массы, влагу и облака.
Давление измеряется в гектопаскалях (гПа) или миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Классический ртутный барометр использует стеклянную трубку, заполненную ртутью. Атмосферное давление заставляет столбик ртути подниматься или опускаться. Более распространен сегодня барометр-анероид. В нем используется металлическая коробка с частичным вакуумом внутри, которая сжимается или расширяется при изменении давления. Эти движения передаются на стрелку, показывающую значение на шкале. Такой барометр более компактен и удобен, его часто используют на метеостанциях и в быту.
Атмосферный фронт — это граница между двумя воздушными массами с разными свойствами. Для фронта характерны резкие изменения погоды: температуры, влажности, давления, облачности и осадков. Различают теплые фронты (когда теплый воздух наступает на холодный), холодные фронты (когда холодный воздух вытесняет теплый) и фронты окклюзии — сложные структуры, возникающие при смыкании теплого и холодного фронтов.
Измерение ветра
Скорость ветра измеряется анемометром. Самый распространенный тип — чашечный анемометр, где ветер вращает чашки, закрепленные на горизонтальной оси. Это вращение преобразуется в электрические сигналы, которые и показывают скорость воздушного потока. Направление ветра определяется с помощью флюгера — устройства со стрелкой, которое свободно вращается и указывает, откуда дует ветер. Простейший флюгер можно сделать самостоятельно, нужна лишь стрела, ось для вращения и противовес.
Как измеряют осадки?
Для измерения количества осадков используются специальные приборы — осадкомеры. Например, дождемер Третьякова является стандартным прибором в России. Это цилиндрический сосуд, в который собираются осадки, а их объем затем измеряется в миллиметрах.
Глубину снежного покрова измеряют снегомером — это может быть простая рейка или более сложный ультразвуковой датчик. Для точного измерения разных типов осадков (дождь, снег, град) применяются лазерные датчики. Гравиметрические осадкомеры определяют количество осадков по их весу. А доплеровские радиолокаторы фиксируют интенсивность осадков, анализируя сигнал, отраженный от капель дождя или снежинок. Эти данные используются для построения карт осадков в реальном времени.
Что значит «67% осадков»?
— В метеорологии есть два подхода к интерпретации вероятности осадков. Если прогноз дается для целого региона, то процент (например, 67%) означает пространственное распределение — то есть осадки выпадут на 67% площади этого региона. Если же прогноз показан для вашего конкретного населенного пункта или координат, то процент чаще всего означает вероятность выпадения осадков именно в этом месте в указанный период времени, — сообщает Максим Симакин.
Измерение влажности воздуха
Классический психрометр состоит из двух термометров: «сухого» и «влажного» (колба которого обернута влажной тканью). Разница их показаний позволяет рассчитать относительную влажность. Также используются гигрометры. Механические гигрометры основаны на свойстве некоторых материалов (например, обезжиренного волоса или синтетической пленки) менять длину при изменении влажности. Электронные гигрометры фиксируют изменение электрических свойств полимеров или солей. Конденсационные гигрометры определяют точку росы — температуру, при которой пар начинает конденсироваться.
Природа ураганов
Ураган — это мощный и долгоживущий вихрь. Он формируется над теплыми океанскими водами при сочетании нескольких условий. Во-первых, температура поверхности океана должна быть не ниже 26,5°C. Это тепло служит главным источником энергии для развития и поддержания гигантского восходящего потока воздуха. Во-вторых, необходимо активное испарение воды, которое насыщает воздух влагой. При конденсации этой влаги в облаках выделяется скрытое тепло, которое дополнительно «раскручивает» ураган. В-третьих, необходим слабый вертикальный сдвиг ветра, чтобы вихревая структура не разрушалась.
— Такие мощные ветры могут преодолевать огромные расстояния. Однако, когда ураган выходит на сушу, он быстро теряет силу, поскольку лишается основного источника энергии и влаги — теплой океанской воды. Расстояние, которое он может пройти по суше, зависит от его начальной мощи. Обычно он значительно ослабевает уже в пределах нескольких сотен километров от побережья, но отдельные последствия в виде сильных дождей и ветра могут ощущаться за тысячи километров, особенно если на пути вихря встречаются крупные водоемы, — поясняет Максим Симакин.
Ультрафиолетовый индекс и солнечная активность
УФ-индекс был введен в начале 1990-х годов для информирования людей об опасности солнечного излучения для кожи и глаз. Интенсивность ультрафиолетовых лучей измеряется специальными приборами — пиргелиометрами или УФ-радиометрами. Приемник в таком устройстве улавливает солнечный свет, а датчик фиксирует изменения температуры или электрических свойств, вызванные излучением.
— Солнечные бури выбрасывают огромное количество заряженных частиц и радиации, что влияет на ионосферу (слой атмосферы на высотах от 60 до 1000 км). Эти изменения могут вызывать сбои в радиосвязи, GPS-навигации и других системах, использующих ионосферу для передачи сигналов. Кроме того, солнечные бури нагревают верхние слои атмосферы, заставляя ее расширяться. Это увеличивает плотность атмосферы на высотах полета спутников, создавая дополнительное сопротивление, что может сокращать срок их службы и нарушать работу, — добавил Максим Симакин.
Связаны ли жаркое лето и холодная зима?
— Утверждение о том, что «жаркое лето предвещает холодную зиму», не имеет научных оснований. Современные исследования не выявляют значимой корреляции между температурой одного сезона и другого. Предсказывать зимнюю погоду, опираясь только на летние данные, невозможно, — говорит Максим Симакин.
Будущее метеорологии
Эксперты ПНИПУ отмечают, что за последние 5-10 лет прогнозирование погоды совершило огромный скачок благодаря технологическим и научным достижениям. Современные модели стали сложнее и точнее за счет улучшенного физического описания атмосферных процессов, увеличения разрешения и роста вычислительных мощностей. Машинное обучение и искусственный интеллект уже применяются для улучшения прогнозов, и их роль будет только возрастать. В перспективе — более активное использование дронов для сбора данных в труднодоступных районах и на разных высотах, что сделает прогнозы еще более детальными и надежными.
Наука Погода Прогноз погоды Дождь Ураган Спутниковое обнаружение Длинный пост 2Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Кажется, дождь собирается: эксперты ПНИПУ рассказали, как создается прогноз погоды.