В каждой стране свой центр погоды, хотя не во всех странах хорошо разработаны модели прогнозов. Общепринятых моделей прогнозов погоды четырнадцать. Вся метеоинформация общедоступна ― для этого работает Всемирная метеорологическая организация. То есть все синоптики могут пользоваться данными всех моделей. При этом идеальной модели прогноза пока не существует.>
Часть информации о погоде получают со спутника, но он не может измерить всё ― даже температуру спутник определяет не очень точно. Зато спутник хорошо фотографирует облака, благодаря чему мы можем восстановить информацию о направлении и силе ветра. Аппаратура спутника также позволяет восстанавливать вертикальный профиль температуры и влажности воздуха.
Агрометеорологические прогнозы
Одним из важнейших видов агрометеорологического обслуживания сельского хозяйства являются >агрометеорологические прогнозы - научные предсказания изменений агрометеорологических условий и их влияния на состояние биологических объектов, а также на процессы сельскохозяйственного производства.>
Научной основой агрометеорологических прогнозов являются обоснованные и количественно выраженные многофакторные зависимости роста, развития биологических объектов или процессов от сложившихся и ожидаемых агрометеорологических условий.
При разработке методов агрометеорологических прогнозов основное внимание уделяется выбору из всего комплекса агрометеорологических условий наиболее значимых и лимитирующих факторов, определяющих конечный результат. При этом в первую очередь учитываются так называемые инерционные факторы, т.е. факторы, медленно изменяющиеся во времени, но во многом обусловливающие состояние сельскохозяйственных объектов. К инерционным факторам относятся, например, запасы продуктивной влаги, число растений на единице площади, площадь листовой поверхности, число колосков и зерен в колосе и др. Так, если в период закладки колоса образовалось мало колосков и зерен, то даже при дальнейших оптимальных условиях роста и развития зерновых культур их число не увеличится и хорошего урожая не будет.
Для выбора инерционных факторов (предикторов), оказывающих влияние на прогнозируемую переменную, используются корреляционный и регрессионный анализ.
Исходными данными для агрометеорологических прогнозов служат сопряженные наблюдения за метеорологическими условиями и состоянием посевов в текущем году, проводимые на сети агро- и гидрометеостанций и постов, долгосрочные прогнозы погоды, агроклиматические справочники и атласы.
При необходимости используют данные Госкомстата, например, об урожайности и валовом сборе сельскохозяйственных культур, о размерах площадей гибели озимых зерновых культур и многолетних сеяных трав и т.д.
От точности исходной информации в значительной мере зависят качество прогнозов и их оправдываемость. Поэтому на сети станций и постов нередко проводят дополнительные наблюдения по специальным программам, а также маршрутные наземные и авиационные обследования состояния посевов на больших площадях, существенно дополняющие информацию метеорологических станций.
Заблаговременность агрометеорологических прогнозов составляет, как правило, не менее одного месяца, достигая в отдельных случаях двух и даже трех месяцев.
Оправдываемость агрометеорологических прогнозов чаще всего достаточно высокая (80...90% и более), так как при их составлении учитывают исходное состояние посевов, сложившиеся фактические агрометеорологические условия на дату составления прогноза и наиболее важные инерционные факторы, сохраняющие свое влияние длительное время.
Агрометеорологические прогнозы составляют в основном в Гидрометцентре, межрегиональных управлениях и областных центрах Росгидромета.
Работу по развитию и совершенствованию методов агрометеорологических прогнозов ведут в Научно-исследовательском институте сельскохозяйственной метеорологии, Российском научно-исследовательском гидрометеорологическом центре и ряде других научно- исследовательских учреждений системы Росгидромета. По результатам этой работы издают тематические сборники «Методы агрометеорологических прогнозов».
Следует иметь в виду, что методы агрометеорологических прогнозов не являются универсальными. Каждый метод может быть, как правило, применим только для определенных климатических зон, почвенных условий, сортов и т.п. В то же время прогнозирование одних и тех же величин может быть осуществлено различными методами.
Агрометеорологические прогнозы по содержанию можно подразделить на пять основных групп: прогнозы агрометеорологических условий; фенологические; состояния зимующих культур весной; урожайности основных сельскохозяйственных культур, трав и качества урожая; эффективности отдельных агротехнических и мелиоративных мероприятий.
Не имея возможности изложить в данном учебнике все методы существующих прогнозов, рассмотрим те из них, которые характерны для каждой группы и которые успешно применяют в сельскохозяйственном производстве.
Как составляют прогноз погоды
У нас есть данные метеонаблюдений. Они поступают в мировые центры погоды, а затем в качестве начальных условий закладываются в модель. Модель ― это сложная система уравнений гидродинамики со многими неизвестными. Допустим, мы хотим получить информацию о каком-то параметре через определенное количество часов — двадцать четыре часа, сорок восемь. Для этого мы берем уравнение, которое описывает этот процесс, и начальные данные о текущем состоянии погоды, то есть данные, которые пришли с метеостанций. Путем решения этих уравнений, интегрируя их по времени, мы получаем значение нужного параметра через определенное время. Далее эти параметры анализируются синоптиками. Модель может подсчитать конкретные характеристики, но обобщить это может только человек.
Специалист, анализируя результаты, полученные по расчетам модели, определяет положение и свойства основных синоптических объектов: атмосферных фронтов, атмосферных вихрей ― циклонов и антициклонов, воздушных масс. Он также определяет тенденцию их перемещения, оценивает, как они эволюционируют, и на основании этих данных дает прогноз погоды, который мы потом узнаем, — какая будет температура, давление, ветер в той или иной точке. Это этап переработки модельных данных в прогноз условий погоды.
Ошибки в прогнозах погоды
Для того чтобы получать идеальные значения без ошибок, надо, чтобы начальная информация была непрерывна во времени и пространстве, и до этого метеорологам еще очень далеко. Среднее расстояние на европейской территории России между метеостанциями — 150 километров, в Сибири ― 300, на арктическом побережье еще больше. Поэтому необходимую нам непрерывность данных мы получать не можем. Данные в районах, где нет станций, восстанавливаются при помощи интерполяции, то есть приближенно, и за счет этого возникают ошибки.
Наблюдения проводятся каждые три часа. Далеко не везде есть автоматические метеостанции, и их память не безгранична: данные должен кто-то снимать, отправлять в центр и так далее. Некоторые автоматические метеостанции делают проверку каждые пять секунд, но не могут хранить такой большой объем информации, так что без человеческого присутствия не обойтись. Информацию о погоде сейчас обсчитывают самые мощные суперкомпьютеры, потому что обычные обрабатывали бы прогноз погоды на завтра двое суток.
Кроме того, вычислительные модели несовершенны, есть очень много процессов, которые сложно описать уравнениями и которые еще не до конца изучены. Например, процессы в нижнем полуторакилометровом слое атмосферы (пограничном), — это различные процессы, возникающие за счет трения воздуха о земную поверхность, и их сложно полностью описать уравнениями. Для анализа используются такие методы, как параметризация, то есть математическое приближение.
Другой источник ошибок: мы не можем идеально описать с помощью уравнений процессы, которые происходят в атмосфере. Кроме того, эти уравнения нельзя решить аналитически. Если для уравнения x2 = 1 мы можем получить точный ответ, то дифференциальные уравнения решаются при помощи численных методов. Нам приходится использовать аппроксимации и приближения, и из-за этого возникают ошибки.
Все опис анные ошибки накапливаются во времени. На ближайшие двенадцать часов наша ошибка может быть небольшой, а в прогнозе на семь дней и более она значительно вырастает. Поэтому прогноз более чем на неделю практически бессмысленный, так как величина ошибки станет сравнимой с величиной самого́ прогнозируемого параметра.
Модели прогнозирования
Четырнадцать существующих моделей прогноза погоды глобальные, они дают информацию по всему миру. Но Метеофранс интересует больше погода во Франции, а в Москве основное внимание сконцентрировано на том, что будет в Московской области. И так как на Францию часто идут циклоны с Атлантического океана, то прогноз зарождения этих циклонов будет их волновать больше. Над Москвой циклоны зарождаются редко и приходят в основном из более отдаленных регионов, уже сформировавшись. Поэтому в модели циклонов в Гидрометцентре России больше внимания уделяют процессу перемещения, торможения циклона над континентом, а французы будут уделять этим факторам меньше внимания. Во многих странах, для которых важен горный туризм, развиты прекрасные региональные модели, специализирующиеся на прогнозе условий погоды буквально для каждого склона.
Важное преимущество современных синоптиков в том, что данные прогнозов по всем моделям общедоступны, их можно сравнить между собой и выбрать наиболее вероятные условия или взять нечто среднее. Есть специальный прием: прогнозы считаются два раза в сутки ― в полночь и двенадцать дня. Можно в девять утра посмотреть прогноз, рассчитанный в полночь на девять часов утра, и сравнить с реальным положением дел. Если всё совпадает, то можно сделать вывод, что модель хорошо воспроизводит происходящие в настоящий момент в атмосфере процессы, а потому можно доверять прогностическим данным. Но если модель ошибается даже в предсказании на ближайшие двенадцать часов, то и ожидать хорошего качества прогнозов не приходится.
Если какой-то метеорологический процесс развивается устойчиво, то, скорее всего, все модели дадут схожий прогноз, а его оправдываемость будет высокой. Но если ситуация сложная, то разные модели будут давать различные результаты. В этом случае стоит быть осторожнее, потому что вероятность хорошего прогноза невысока.
Есть нелюбимое синоптиками явление ― седловина. Допустим, по диагонали расположены два антициклона, давление в них высокое, по другой диагонали ― два циклона с низким давлением, а мы находимся посередине. Эта конструкция, как качели или желе, чуть-чуть перемещается, двигается. Если к нам подойдет циклон — будет облачность, если антициклон ― солнце. Летом за счет облачности разница температур в одном регионе может составлять до десяти градусов, и прогноз, соответственно, оказывается ошибочным. От небольших смещений этой системы зависит, пойдет дождь или небо будет безоблачным.
Перспективы прогнозирования
Наука развивается. Например, раньше кучевые облака, ливневые осадки описывались в модели с помощью параметризации, а теперь их развитие можно описать уравнениями, что позволяет предсказывать их гораздо лучше. Наблюдается прогресс в понимании физики процессов, которые описываются в моделях.
Но далеко не все природные явления достаточно изучены, и не все механизмы мы знаем. Циклоны и антициклоны открыли в середине XIX века, понятие атмосферных фронтов ввели в начале XX века, но единой теории циклогенеза, то есть как и почему возникают циклоны, в мире нет. Ни одна из существующих идей не может описать весь комплекс происходящих в атмосферных фронтах процессов.
Главный фактор — субъективный. Например, модели не очень хорошо описывают процессы торможения циклона и антициклона о земную поверхность, и если циклон или фронт замедлился или ускорился, то осадки могут выпасть в три часа ночи, а не в шесть вечера, как было предсказано. Люди в таких случаях весь день носят с собой зонтики, недоумевают, почему дождя нет, и говорят, что синоптики ошиблись, хотя это неверно: процесс был, описали его более-менее правильно, но немного не рассчитали скорость, и дождь в итоге пришел на несколько часов позже, когда его уже никто не видел.
Сейчас в прогнозах погоды принято обозначать отдельно утро, день, вечер и ночь. Раньше выделяли только день и ночь, и это приводило к следующим коллизиям: синоптики обещали ночью 0 °C, а днем — 15 °C. Человек выходит утром на работу, ожидая тепло, но на улице всё еще холодно. Это происходит потому, что минимум температуры в суточном ходе наблюдается сразу после восхода солнца, так как Земля охлаждалась всю ночь, и в этот момент температура наиболее низкая, а до обещанных 15 °C воздух нагревается только к шестнадцати часам дня. То есть оценка точности прогноза во многом зависит от субъективного восприятия человека.
Региональные модели
Модель прогноза дает среднее значение по площади. Есть сетка, размер которой, например, 50 на 50 километров, и рассчитанные этой моделью значения — средние по квадрату со стороной 50 километров. Поэтому на одном конце Москвы может идти дождь, а на другом ― светить солнце, а модель даст только среднее значение. Сейчас эта проблема активно решается — создаются региональные модели.
Для Москвы разработана модель COSMO с шагом в 2,5 километра. Но чем меньше этот шаг, тем больше вычислительные сложности, и наверняка предсказать, над каким районом пройдет проливной дождь, нельзя. Распределение кучево-дождевых облаков, из которых идет ливень, практически хаотично.
Тем не менее по Москве и Московской области сейчас делаются довольно подробные прогнозы, для каждого города Московской области свой прогноз. Для некоторых районов Западной Сибири и Дальнего Востока модель COSMO также дает прогноз с маленьким шагом. Но это используется пока не во всей России и не во всем мире.