Как изучают природные явления и возможны ли идеальные прогнозы погоды
Синоптики обещают солнечный день, а за окном — метель. Неточности в прогнозах связывают как с быстро меняющимися условиями окружающей среды, так и с глобальными климатическими трансформациями. Тем не менее современные метеорологи совершили прорыв в прогнозировании, сегодня для этого применяются математические алгоритмы, создаются новые способы и инструменты для исследования текущих погодных условий. О том, как сегодня изучаются природные явления и возможно ли в будущем делать идеально точные прогнозы, доступно рассказали в американском научно-популярном журнале Discover. Т&Р адаптировали статью и сделали ее перевод.
Как возникает погода
Атмосферный слой Земли состоит в основном из азота, кислорода и водяного пара. Этот воздух ведет себя как жидкость и, перетекая из одного места в другое, меняет температуру, влажность и другие характеристики. Погода — это побочный продукт атмосферы, переносящей тепло из одного места в другое.
Более прохладный воздух является плотным, он не может удерживать много влаги; более теплый воздух менее плотный, способен содержать больше воды. Когда области воздуха с разной температурой и плотностью сталкиваются, возникает дождь, так как из охлажденного теплого воздуха образуется вода. Могут появиться и другие осадки. По мере того как теплый влажный воздух поднимается вверх, он охлаждается, а вода конденсируется на взвешенных в воздухе частицах. Поднимающиеся капли становятся все тяжелее и впоследствии падают на Землю.
Ураган образуется, когда морская вода нагревается выше 27 ℃ и интенсивно испаряется, а воздух над океаном становится теплым и поднимается вверх. На его место приходят потоки холодного воздуха, которые также нагреваются и поднимаются. Эти перемещения создают сильный ветер, образуется ураган.
Как изучали природные явления раньше
Научные наблюдения за погодой начались в эпоху Возрождения, когда были изобретены барометры и термометры. Европейские ученые древности, такие как Галилей, использовали эти инструменты для объяснения погодных явлений.
Но ранние прогнозы были ограниченными и основывались лишь на предположении, что прошлое будет определять будущее поведение. «Если шторм сегодня будет в Канзасе, а на следующий день в Миссури, то вы можете сказать, что далее он придет в Иллинойс», — объясняет Боб Хенсон, метеоролог, автор «Weather Underground». Этот способ работает при постоянных условиях — когда шторм постепенно движется или когда местный климат практически не меняется день ото дня (например, в Южной Калифорнии).
Однако этот простой метод не учитывает меняющиеся условия: например, штормы быстро образуются из-за конвекции (перемещения объемов воздуха с одних высот на другие, обусловленные архимедовой силой. — Прим. ред.). К счастью, в современном мире есть новые способы предсказывать погоду. Прогнозы делают не люди, которые смотрят на карты и вчерашние максимумы и минимумы, они создаются машинами.
Современные прогнозы погоды
Метеорологи используют численный прогноз погоды, вводя данные о текущих погодных условиях. Далее они обрабатываются в компьютерной модели. Чем более актуальная и точная информация введена, тем точнее будет прогноз. Для получения этих данных применяются такие инструменты, как метеозонд, самолеты, спутники, океанские буи.
Погодные модели делят регион, государство или даже весь земной шар на ячейки. Их размер влияет на точность прогноза. В больших прямоугольниках сложнее увидеть, что происходит на небольших участках, но они предоставляют общую картину погодных тенденций в течение долгого времени. Этот общий прогноз необходим, например, для того, чтобы определить движение шторма.
Маленькие ячейки с более высоким разрешением позволяют прогнозировать на более короткий временной период — один-два дня — и охватывают только определенный район. Некоторые модели могут фокусироваться на определенных данных, таких как скорость ветра, температура и влажность. Поэтому две компьютерные модели могут выдавать немного разные результаты даже при абсолютно одинаковых начальных наблюдениях.
Возможны ли идеальные прогнозы?
«Для повседневных погодных прогнозов компьютерных моделей достаточно, поэтому метеорологи здесь мало что добавят, — говорит Шумахер, доцент кафедры атмосферных наук Университета штата Колорадо. — Но это не значит, что люди не нужны вовсе. Синоптик может распознать неточности данных, воспроизведенных компьютерной системой».
Осадки прогнозировать гораздо сложнее, чем температуру, говорит Мэтт Кельш, гидрометеоролог из Университетской корпорации атмосферных исследований в Боулдере. «Температура — это непрерывное поле, она есть повсюду. Осадки — это прерывистое поле, в некоторых местах может идти дождь или снег, а в других их не будет вовсе». Ландшафтные особенности местности, такие как возвышенности, береговые линии, влияют на осадки, и компьютерные модели это не всегда учитывают. Кельш говорит, что для составления прогнозов на период от 24 до 36 часов необходим метеоролог. Прогнозирование ситуаций со значительными последствиями, такими как ураганы, торнадо и наводнения, является более сложной задачей и требует как человеческих ресурсов, так и работы компьютерных систем.
С 1950-х годов быстрые компьютеры стали давать все более точные прогнозы. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, сегодняшний пятидневный прогноз является точным примерно в 90% случаев.
Семидневный прогноз оказывается верным в 80% случаев, а 10-дневный прогноз — в 50%.
Сегодня прогноз урагана на пять дней более надежен, чем четырехдневный прогноз в начале 2000-х годов и трехдневный прогноз в 1990-х годах. А в статье Nature 2015 года было обнаружено, что прогнозы на срок от трех до десяти дней улучшаются примерно на день за десятилетие — это означает, что современный шестидневный прогноз так же точен, как пятидневный прогноз 10 лет назад.
К сожалению, серьезные климатические трансформации усложняют процесс прогнозирования. Есть шуточная фраза о том, что бабочка, хлопающая крыльями в Гонконге, может изменить погоду в Нью-Йорке. Эта идея была выдвинута в 1972 году математиком и метеорологом Эдвардом Лоренцем. «Эффект бабочки» заключается в том, что незначительные изменения могут иметь огромное влияние на развитие всей системы.
На практике это означает, что одна компьютерная модель, запускаемая более одного раза, даже при самых незначительных различиях в текущих условиях может давать разные прогнозы. Из-за этого потенциальный предел прогнозирования составляет около 14 дней, говорит Боб Хенсон. «Лоренц, по сути, сказал, что невозможно предсказать погодные особенности больше чем на две недели, потому что эти маленькие „крылья бабочки“ и бесчисленные другие мелочи приведут к большим изменениям», — утверждает Хенсон.
Метеоролог Джадт уверен, что человечество никогда не сможет предсказать грозу более чем на пару часов вперед независимо от того, насколько хороши наблюдения. «Для ураганов и штормов, которые намного сильнее (и, следовательно, их легче обнаружить заранее), период может составлять две-три недели», — говорит он.
При создании прогноза метеорологи учитывают неопределенности, используя математическую модель несколько раз. При этом она будет давать несколько иной результат, но большинство из них будут похожими. Наиболее частые и станут финальным результатом.
