Что
такое прогноз погоды?
Каждый день миллионы людей
в мире смотрят телевизор, слушают радио, читают газеты, чтобы узнать о
погоде. Зависимость человека от погоды
отражена в древних легендах, сказках, летописях. Первый научный трактат написан
Аристотелем в 4 веке до нашей эры. Парадоксально, но зависимость людей от
погоды и важность ее предсказания увеличилась. С одной стороны научно-технический
прогресс способствует независимости нашего благополучия от погоды. Но с другой
стороны сложная современная техника и коммуникации весьма чувствительны к
неблагоприятной погоде, а выход их из строя, даже на короткий срок. отрицательно
оказывается на работе многих предприятий. Возьмем. например, одного из наиболее
широких потребителей метеорологической информации - авиацию. До ее появления не
было необходимости в прогнозировании ветра и температуры воздуха на больших
высотах, турбулентности, низкой облачности. Сейчас, когда авиация превратилась в
важную отрасль экономики, ценность точной информации о ветре по маршруту полета
и специализированных прогнозов погоды по аэродрому является одним из
существенных экономических факторов воздушно-транспортных
перевозок.
Погода по-прежнему оказывает значительное
влияние на деятельность морского флота. Штормовые ветры, льды и айсберги, туман
увеличивают вероятность повреждения судов, задержки их в пути, дополнительного
расхода горючего. Сельское хозяйство особенно чувствительно к изменениям погоды.
Формирование урожая и его сбор зависят в значительной степени от
метеорологических факторов. Во многих странах колебания урожая под влиянием
погоды достигают и даже превышают 30%. Потери урожая из-за засушливых условий,
излишнего увлажнения, града, заморозков и других явлений могут быть существенно
снижены при наличии прогнозов погоды и правильном их учете путем изменения
режима орошения, выбора оптимального времени посева или уборки, своевременной
обработки пестицидами и т.д.
Значительный экономический эффект дает учет
прогнозов температуры воздуха для экономии топлива и электроэнергии.
Однако наибольший вклад прогнозы погоды вносят
в обеспечение безопасности людей. Тропические циклоны, ураганные ветры, смерчи,
град, сильные снегопады, внезапные наводнения наносят не только огромный
экономический ущерб, по и уносят человеческие жизни. Ежегодно, в среднем в
атмосфере возникает примерно 80 тропических циклонов, под воздействием которых
погибает около 20 тысяч человек. а экономический ущерб начисляется в 7
миллиардов долларов. В будущем потребности в прогнозах погоды еще более
расширятся, по мере развития различных видов транспорта, индустрии, энергетики.
Уже сейчас нужны прогнозы условий загрязнения воздуха, включая перенос областей
загрязнения на большие расстояния. Иначе говоря, роль погоды как природного
ресурса возрастает, тот, кто сможет точнее предсказывать состояние атмосферы,
тот будет эффективнее использовать этот ресурс для развития экономики и защиты
населения и собственности от опасных явлений. Это особенно относится к странам,
территория которых расположена в различных климатических зонах и подвержена
резким изменениям погоды.
Поскольку человек постоянно проживает на дне
воздушного океана (атмосферы) и постоянно ощущает ее изменения, то и попытки
предсказания погоды предпринимались уже давно.
Однако научное изучение атмосферы началось лишь
в шестнадцатом столетии, после изобретения измерительных приборов и открытия
физических законов, определяющих поведение газов. В середине девятнадцатого
столетия ученые поняли, что движения в атмосфере могут иметь упорядоченный
характер и что существуют крупные синоптические системы, перемещение и эволюция
которых определяют погоду в заданной точке. С начала XX столетия прогресс в
изучении атмосферы и установлении закономерностей ее поведения был очень
быстрым. Большое количество наблюдений позволило метеорологам следить за
состоянием погоды, определять на картах области высокого и низкого давления,
границы воздушных масс и, используя известные физические законы, составлять
прогноз. Такой прогноз в значительной степени зависил от опыта прогнозиста и его
способностей. В дальнейшем стали разрабатываться гидродинамические модели,
основанные на решении системы уравнений гидродинамики. описывающих с
определенной степенью точности поведение атмосферы.
Система уравнений, определяющая поведение
атмосферы, очень сложна и нелинейная. Поскольку не существует общих методов
решений такой системы аналитически, возникает необходимость использования
численных методов, обычно с использованием метода конечных разностей.
Первый, практически приемлемый подход к решению
проблем гидродинамического прогноза был реализован в России в 1940 году. Однако,
из-за огромного объема вычислений развивать и оперативно применять
гидродинамические модели стало возможным только после появления ЭВМ. В основу
прогноза по гидродинамической модели берется начальное состояние атмосферы по
данным метеорологических наблюдений. Далее рассчитываются изменения давления,
которые произойдут через некий достаточно короткий промежуток времени, например,
через 10 мин. Это дает новый набор данных, который используется для расчета
условий через следующий 10-минутный интервал. Такая процедура повторяется до тех
пор, пока не будет получено поле давления на срок прогноза.
Поскольку атмосфера находится в постоянном
движении, для определения будущей погоды в данной точке необходимо прежде всего
знать характеристики воздушной массы, которая может переместиться в пункт
прогноза за интересующий прогнозиста период времени. Иначе говоря, необходимо
знать погоду не только в пункте прогноза, но и на значительном расстоянии от
него. Если принять среднюю скорость ветра в 40 км/час, то легко подсчитать, что
для прогноза на сутки это расстояние составит 1200 км. Практически же оно должно
составлять несколько тысяч километров, поскольку скорость ветра на высотах может
достигать 100 и более км/час. по мере увеличения заблаговременности прогноза
зона сбора данных наблюдений увеличивается и для прогноза на 5-7 дней необходимо
иметь данные наблюдений со всего земного шара.
Поэтому любая метеорологическая служба для
составления прогноза ежедневно использует не только данные наблюдений о
состоянии атмосферы над своей территорией, но и над другими странами. Для этого
необходимо, чтобы наблюдения проводились одновременно в единые сроки и были
сопоставимы между собой. Кроме того они должны быть правильно закодированы в
стандартные форматы и быстро переданы в центры обработки данных для подготовки
прогнозов. Иначе говоря, подготовка прогнозов представляет собой процесс
непрерывно действующей сложной международной системы, называемой Всемирной
службой погоды (ВСП), являющейся основной программой Всемирной метеорологической
организации.
Всемирная. служба погоды (ВСП) является
глобальной системой для сбора, анализа и распространения и информации о погоде и
прочей информации об окружающей среде. Она представляет собой комплексную
систему, состоящую из национальных средств и услуг, которые принадлежат
отдельным странам, являющимся Членами ВМО, и эксплуатируются ими.
Функционирование Всемирной Службы Погоды базируется на основополагающей
концепции, согласно которой страны берут на себя, соответственно своим
возможностям определенные обязательства по согласованной глобальной схеме с тем,
чтобы все страны могли получать выгоды от объединенных усилий. ВСП - уникальное
достижение международного сотрудничества, ни в одной другой сфере человеческой
деятельности, в частности в науке и технологии, не существует и никогда не
существовала такая подлинно глубокая оперативная система, в которую ежедневно
вносит вклад в общее благо фактически каждая страна мира. Прежде, чем внедрить в
оперативную практику какую-либо численную модель, она проходит испытания на
качество и надежность.
Использование современных моделей требует очень
мощной вычислительной техники и полной автоматизации процесса получения данных,
их контроля, объективного анализа и расчета. Поэтому, подготовка прогнозов
сейчас немыслима без функционирования вычислительных центров, оборудованных
современными ЭВМ.
Таким образом, гидродинамические модели
атмосферы являются основой современной системы подготовки прогнозов. Именно
благодаря развитию глобальных гидродинамических моделей стало возможным с
достаточной степенью точности прогнозировать ряд параметров атмосферы (давление,
ветер и температуру) для различных высот на срок до 5-6 суток, что еще 10-15 лет
назад казалось несбыточным достижением. Предвычисленные выходные параметры
моделей используются для прогнозирования метеорологических величин и явлений
погоды (облачности, осадков, тумана, шквалов). Прогностические зависимости при
этом определяются на основании статистических связей между наблюдавшейся погодой
и выходными параметрами конкретной модели.
В распоряжении прогнозиста имеется также целый
набор объективных расчетов методов прогноза элементов и явлений погоды,
позволяющих провести расчеты либо самому, либо на ЭВМ. Эти методы, наряду с
общими закономерностями развития атмосферных процессов, учитывают региональные и
даже локальные особенности. На основе расчетных методов осуществляется в
настоящее время прогнозирование большей части явлений погоды с
заблаговременностью 24-36 часов. В последнее время создаются также комплексные
системы слежения за текущей погодой с использованием спутниковой и
радиолокационной информации, а также данных обычных метеорологических
наблюдений. Использование таких систем позволяет постоянно уточнять
предварительные расчеты и предупреждать о возникновении опасных локальных
явлений.
Долгросрочные прогнозы
погоды выпускаются
лишь в некоторых странах. Для этого используются, как правило, статистические
методы или сочетание статистических и численных методов. Имеются также
обнадеживающие результаты в использовании сопряженных гидродинамических моделей
океан-атмосфера.
В системе Росгидромета
выпускаются все виды прогнозов. Основной цикл выпуска краткосрочных
гидродинамических прогнозов составляет 12 часов. Выпуск гидродинамических
среднесрочных прогнозов осуществляется 1 раз в сутки.
Сверхкраткосрочные прогнозы
выпускаются по мере их
необходимости для предупреждения организаций о явлениях погоды, представляющих
опасность для населения или той или иной хозяйственной деятельности.
Долгосрочные прогнозы, как правило, выпускаются один раз в месяц или в
сезон.
В ближайшие два года основное внимание
планируется сосредоточить на создании, совершенствованию и дальнейшей интеграции
прогрессивных технологий прогноза погоды различной
заблаговременности.
Kатегории прогнозов
1. Сверхкраткосрочные (0-12 часов)
2. Краткосрочные (12-72 часа)
3. Среднесрочные (72-240 часов)
4. Увеличенной заблаговременности (0-30 суток)
5. Долгосрочные (30 суток - 2 года)
Долгосрочные
прогнозы
Проблема долгосрочного прогноза погоды (ДПП), в
силу потенциально огромной практической значимости таких прогнозов, всегда
привлекала внимание метеорологов. Впервые она была поставлена на 2-м
Международном метеорологическом съезде в 1906г. Создание отечественной школы
методов долгосрочного прогнозирования погоды датируется 1915 г., когда в
Геофизическом сборнике была опубликована статья Б.П.Мультановского «Влияние
центров действия атмосферы на погоду Европейской России в теплое время года»
(Мультановский, 1915). Это было время начала формирования “синоптического”
подхода к проблеме ДПП. Это направление продолжает развиваться и в настоящее
время.
Началом создания теоретической базы ДПП можно
считать работы Н.Е.Кочина по теории общей циркуляции атмосферы
(1936
г.). Кочин поставил задачу количественного моделирования
общей циркуляции. В работе Е.Н.Блиновой (1943 г.) эта задача была рассмотрена в
прогностическом плане. Появление и бурное развитие вычислительной техники
позволило развивать подход, основанный на численном моделировании
гидрометеорологических процессов, к решению задачи ДПП. Эпохальными для проблемы
ДПП были начавшиеся в 1970-е годы работы по изучению гидродинамической
неустойчивости крупномасштабных атмосферных процессов, инициированные, в
основном, нуждами бурно развивавшейся техники численного краткосрочного прогноза
погоды на основе системы уравнений гидро- и термодинамики в квазигеострофическом
приближении, а потом и на базе системы полных уравнений. В 80-х годах в мировых
метеорологических центрах в Европе (Европейский центр среднесрочных прогнозов
погоды, Франция, Англия), в США, Канаде и Японии долгосрочный гидродинамический
прогноз на сроки от 10 дней до сезона переживал необычайно бурный период.
Прогнозирование проводилось как в экспериментальных режимах , так и в
квазиоперативном режиме. В качестве объектов долгосрочных прогнозов становятся
такие элементы крупномаштабной циркуляции и климатической системы
атмосфера-океан, как блокирующие ситуации, явления Эль-Ниньо и Южное колебание.
Оценивается роль внутренней динамики атмосферы и внешнего форсинга в
формировании низкочастотной изменчивости атмосферы. Строятся разнообразные
механизмы долгопериодных регулярных структур. В настоящее время основные усилия
в сфере гидродинамического долгосрочного прогнозирования постепенно переносятся
на масштабы сезонов. При этом, ввиду перехода к интегрированиям по ансамблю
начальных состояний, проблематика прогноза стала формулироваться в вероятностной
форме, что привело к внедрению новых показателей качества прогноза.
Виды
долгосрочных прогнозов
В настоящее время в оперативной практике
используется широкий спектр различных видов долгосрочных прогнозов, различных по
используемой методологии, заблаговременности и практической направленности.
Сегодня очевидно, что долгосрочное прогнозирование погоды исключительно
гидродинамическими методами малопродуктивно. Требуется объединение всех наличных
методик - эмпирических, статистических и гидродинамических. При этом
формулировка прогноза должна быть вероятностной и сам прогноз должен
сопровождаться априорной оценкой его качества.
Авиационные
прогнозы
Метеорологическое обеспечение
авиации
Авиация является самым требовательным потребителем метеорологической
информации. Развитие авиационной техники сопровождается непрерывным изменением
(и в конечном счете повышением) требований к метеорологическому обеспечению
авиации. Несовершенство наблюдательных средств, ошибки прогноза оплачиваются
здесь дорогой ценой.
Основными составляющими метеорологического обеспечения гражданской
авиации являются:
□
обеспечение
климатической информацией для конструирования и совершенствования авиационной
техники, оценки и выбора районов строительства аэропортов и взлетно-посадочных
полей на аэродромах;
□
обеспечение
оперативной метеорологической информацией и прогностическими данными о
метеорологических условиях полетов.
Основные виды
авиационных прогнозов
Прогноз условий полета по
маршрутам
Прогноз условий взлета
и посадки воздушных судов
Морские
прогнозы
Морское метеорологическое
обслуживание и его значение
Жизнь на Земле зависит от океанов и морей. Они
обеспечивают землян продовольствием, энергией и водой и устойчиво поддерживают
существование на Земле миллионов людей. Океаны и моря являются основной
магистралью международной торговли, также как и основным стабилизатором климата
Земли. Природные ресурсы Мирового океана и, в особенности его шельфовой зоны,
являются огромным экономическим и стратегическим потенциалом, овладение которым
играет ключевую роль в перераспределении продовольственных, сырьевых,
химических, энергетических и других ресурсов Земли.
Прогресс в освоении этих ресурсов в
значительной степени связан со знанием гидрометеорологических процессов,
происходящих в океанах и морях и умением прогнозировать их изменения с той или
иной заблаговременностью.
Это является залогом экономической
эффективности и безопасности морской хозяйственной и другой деятельности в
прибрежных и открытых водах морей и океанов. Опасные природные
(гидрометеорологические) явления, такие как: тропические ураганы и циклоны
умеренных широт, штормовой ветер и волнение, туманы и обледенение судов, лед и
течения, колебания уровня моря и штормовые нагоны, цунами, аномальные
температуры поверхности моря не только влияют на безопасность морских работ, но
и приводят к значительному увеличению непроизводительных затрат, т.е. понижению
экономической эффективности производственной деятельности.
Управление современным морским хозяйством
нуждается в постоянном обеспечении оперативной, достоверной и полной
информацией, на основе которой принимаются оптимальные управленческие решения.
Важную роль в этом процессе играет морская гидрометеорологическая
информация.
Виды морских прогнозов
Разнообразие и масштабы различных видов морской
деятельности предъявляют высокие требования к морскому метеорологическому
обслуживанию. В настоящее время морскими прогностическими службами Росгидромета
выпускаются гидрометеорологические анализы и прогнозы как общего назначения
(циркулярно), относящиеся, как правило, к большим акваториям океанов и морей и
не ориентированных на конкретного потребителя, так и специализированные прогнозы
и информации, ориентированные на конкретного потребителя. Последние отличаются
большей детализацией описания гидрометеорологических условий по времени, месту и
характеру выполняемой работы. Например, проводка судов через океаны
рекомендуемыми курсами плавания, буксировка несамоходных объектов (доков,
плавучих кранов и т.д.), обеспечение паромных переправ, геолого-разведочных
работ на шельфе и т.д.
Гидрологические
прогнозы
Из
долгосрочных прогнозов стока наиболее важными для практики и наиболее физически
обоснованными являются прогнозы стока рек и притока в водохранилища в период
формирования весеннего половодья. Методы долгосрочного прогнозирования
представляют собой линейные или нелинейные физико-статистические зависимости
объема весеннего стока от определяющих факторов, вытекающих из уравнения водного
баланса за период половодья. Точность прогнозов в значительной степени зависит
от точности определения запасов влаги в снежном покрове и характеристик
водопоглотительной способности почв бассейна, определяющих потери
стока.
Разработка методов прогноза опаснейшего явления
- максимальных заторных и зажорных уровней воды - была начата в 1950-х годах В
последние годы В.А.Бузиным (1990 и 1995) предложены общие методы краткосрочного
прогноза на гидравлической основе и с применением теоретической модели затора.
Возможности долгосрочного прогноза заторных уровней весьма ограничены, но для
р.Лены В.В.Кильмяниновым (1992) разработана методика такого прогноза опасных
заторных подъемов по участкам реки и у основных прибрежных городов. Большинство
серьезных заторных наводнений за последнее десятилетие было успешно предсказано,
в частности, катастрофические наводнения в устье р.Сухоны и на Лене у г. Ленска
в 1998
г., а также на Лене у г. Якутска и в верховьях Амура в
1999
г.
Ледовые прогнозы
В настоящее время в Гидрометцентре России
функционирует автоматизированная система расчета и краткосрочного прогноза всех
основных элементов ледового режима рек. При составлении краткосрочных прогнозов
за основу берутся метеорологические данные по прогнозу на 5 суток, что и
определяет заблаговременность прогноза. Оправдываемость краткосрочных прогнозов
сроков появления льда и вскрытия рек составляет 92-95%.
В основу методики среднесрочных прогнозов
положено использование прогноза средней температуры воздуха на декаду с учетом
распределения температуры поверхности океана в качестве фона развития процесса.
Эта методика позволяет внести уточнения в большинство долгосрочных
прогнозов.
Долгосрочные прогнозы (с заблаговременностью
1-2 месяца) сроков замерзания и вскрытия рек имеют среднюю оправдываемость около
80%, но она недостаточно устойчива, в связи с чем большое внимание уделяется
методам уточнений с заблаговременностью 10-20 суток.
В области долгосрочных ледовых прогнозов
ведущая роль российских исследователей в мире общепризнана.
Что такое
агрометеорология
Агрометеорология, или сельскохозяйственная
метеорология, - наука, изучающая метеорологические, климатические и
гидрологические условия, имеющие значение для сельского хозяйства, в их
взаимодействии с объектами и процессами сельскохозяйственного производства. Как
прикладная научная дисциплина агрометеорология сформировалась в конце XIX в.,
хотя зародилась еще у глубокой древности.
Агрометеорология - наука географическая, т.к.
предметом ее изучения служат климат и погода, но она тесно примыкает к
сельскохозяйственным наукам, поскольку климат и погода изучаются применительно к
объектам и процессам сельскохозяйственного производства.
Погодные факторы, оказывающие существенное
влияние на сельскохозяйственное производство, называются агрометеорологическими
условиями. При изучении агрометеорологических условий учитываются требования к
ним сельскохозяйственных культур и животных, а также свойства почв, уровень
агротехники и пр. Учет агрометеорологических условий, в свою очередь, позволяет
установить, насколько метеорологические, климатические и гидрологические факторы
того или иного района соответствуют указанным требованиям, а также определить
степень угрозы вредных для сельского хозяйства явлений погоды (засух, суховеев,
заморозков, сильных морозов, ледяных корок, пыльных бурь и др.). Характеристика
агрометеорологических условий дает возможность выявить наиболее рациональные
методы и приемы воздействия на режим тепла, влаги и света в зоне развития
растений для изменения его в благоприятную для сельскохозяйственного
производства сторону.
Основной метод агрометеорологических
исследований - проведение сопряженных (параллельных) наблюдений в полевых
условиях над метеорологическими факторами, влажностью почвы, состоянием, ростом
и развитием растений.
Основными задачами агрометеорологии
являются:
1. Исследование закономерностей формирования
метеорологических и климатических условий сельскохозяйственного производства в
географическом разрезе и во времени.
2. Разработка методов количественной оценки
влияния метеорологических факторов на развитие, состояние и продуктивность
агроценозов, животных, на развитие и распространение вредителей и болезней
сельскохозяйственных культур.
3. Разработка методов агрометеорологических
прогнозов.
4. Обоснование размещения новых сортов и
гибридов сельскохозяйственных культур и обоснование приемов наиболее полного
использования ресурсов климата для повышения продуктивности
земледелия.
5. Разработка методов борьбы с неблагоприятными
явлениями погоды и климата, изучение путей мелиорации микроклимата
полей.
6. Обоснование дифференцированного применения
агротехники в соответствии со сложившимися и ожидаемыми условиями погоды, с
учетом механизации и химизации сельскохозяйственного производства.
7. Оперативное обеспечение
агрометеорологической информацией сельскохозяйственного производства.
Для решения указанных задач, совершенствуя
методы и средства исследований на основе научно-технического прогресса,
агрометеорология изучает требования объектов сельского хозяйства к
метеорологическим условиям и устанавливает количественные связи между этими
условиями и процессами роста, развития и формирования урожая
сельскохозяйственных растений. Это дает возможность по агрометеорологическим и
агроклиматическим данным устанавливать степень благоприятности погоды и климата
для перезимовки и формирования урожая сельскохозяйственных культур, судить о
необходимости мелиораций и агротехнических мероприятий для получения заданного
урожая и т.п.
Информация о возникновении, развитии засух, их
интенсивности и охвате территорий является весьма важной для
сельскохозяйственных органов, т.к. служит основой для принятия различных
управленческих и хозяйственных решений по смягчению последствий засух,
минимизации ущерба от них, причем возможно большей заблаговременности, т.к. в
период до сева еще можно скорректировать структуру посевных площадей (например,
увеличить площадь засухоустойчивых культур и сортов), или ориентировать
хозяйства на применение уже на начальных этапах влагосберегающих технологий и
т.д
|
