Резервы экономики, реализуемые за счет даже небольшого повышения качества прогноза погоды, дадут в масштабах всей страны экономию, исчисляемую в сотнях миллионов рублей. Это говорит о том, как важны, как необходимы интенсивные научные исследования в этой области.
КАК ВЫЧИСЛЯЮТ ПОГОДУ
Мы переживаем сейчас время бурного развития метеорологии и присутствуем при «пересмене», когда синоптика передает свои полномочия гидродинамике.
«Синоптике» по-гречески значит - «обозримый». Синоптические карты, составляемые метеорологами, позволяют обозревать состояние погоды на обширных территориях; по ним метеорологи-синоптики предсказывают изменение погоды.
Так было долгие годы. Сейчас погоду перестают обозревать, ее начинают вычислять. На смену качественным синоптическим методам прогноза погоды, которые в свое время имели большое значение для формирования этого важного направления в науке, приходят гидродинамические методы, базирующиеся на математическом описании основных законов физики применительно к атмосферным процессам. В создании гидродинамических методов (как в становлении общего мировоззрения, так, и в разработке методики исследования) видную роль сыграла советская школа метеорологов и математиков.
Качество любого прогноза зависит прежде всего от того, насколько полно можно описать атмосферные процессы математически, составить определенные уравнения, и решить их. Однако дело это далеко не простое. Атмосфера - гигантский комплекс сложнейших процессов и явлений с очень широким диапазоном изменения величин. При расчетах всегда приходится «огрублять» действительную картину процесса, пренебрегать влиянием иногда очень существенных факторов. Поэтому, когда мы говорим, о путях улучшения, о повышении качества «метеорологических прогнозов, то под этим прежде всего подразумеваем более детальное, и полное описание процессов, протекающих в атмосфере, и широкое использование электронно-вычислительных машин для обработки поступающей информации.
Сейчас завершается поиск физически обоснованных моделей, и численных алгоритмов, помогающих давать краткосрочный прогноз погоды. Оперативная служба прогнозов переходит на схемы, основанные на интегрировании полных гидродинамических уравнений атмосферных процессов. Можно предположить, что в ближайшем десятилетии привлечение более полных численных схем прогноза позволит снизить среднюю ошибку прогноза более чем на 10%.
Точность краткосрочных прогнозов погоды за последнее время существенно повысилась. Это достигнуто главным образом благодаря тому, что введена новая техника. Например, Московский мировой метеорологических! центр суточный прогноз погоды дает уже только с помощью электронно-вычислительных машин. Различные схемы прогноза с помощью ЭВМ используются в ряде других метеорологических центров.
Самое существенное, что теперь с помощью электронно-вычислительных машин можно давать прогноз условий на поверхности Земли. Хотя численные методы применяются уже сравнительно давно, прогноз атмосферного давления у поверхности Земли до последнего времени делался синоптиками, то есть описательно. А там, где качество в основном определяется опытом и интуицией человека, а не строгим расчетом, - скорее область искусства, нежели точная наука.
Новые численные схемы, развиваемые в нашей стране, и за рубежом, дают возможность более детально описать структуру метеорологических полей. А это позволяет предсказывать быстрые изменения погоды.
Намечен подход к новой задаче, которая по трудности значительно превосходит то, с чем приходилось сталкиваться до сих пор. Речь идет о так называемом локальном прогнозе погоды. Синоптические методы прогноза не позволяли предсказать, как распределятся осадки над разными районами большого города, над пересеченной местностью, например, в горах, и т. п. Чтобы составить такие локальные прогнозы, приходится иметь дело с полными уравнениями гидродинамики, учитывать вертикальные ускорения. Только новые ЭВМ позволяют подойти к решению таких сложных задач, где сочетаются самые тонкие математические методы с наиболее полной гидродинамической постановкой.
Заблаговременных'! прогноз погоды на трое суток вперед - это своеобразных! рубеж в метеорологии.
Прогноз на одни сутки можно сделать по данным, полученным на ограниченно!! территории. Прогноз на трое суток требует данных, собранных уже на всей земной сфере или по крайней мере на полусфере.
Чтобы выдавать точный прогноз на трое суток, метеорологи должны использовать более полные системы уравнений, которые учитывали бы неоднородность поверхности Земли, атмосферную турбулентность, и многие другие факторы, остающиеся сейчас «за бортом». Для такой более детальной системы потребуется использовать уже примерно двадцать тысяч данных информации. Главная организационная задача в этой области, как можно скорее перевести всю систему гидрометеослужбы на численные методы.
Следующая вершина, которую ученые штурмуют, - долгосрочный прогноз, от трех суток до сезона. Намечается два основных направления этого штурма. Первое - это математическое решение полной системы уравнений, описывающей все главные процессы. Здесь приходится учитывать 50 - 100 тысяч данных, и возникает немало чисто математических трудностей. Второй путь в том, чтобы построить простые математические модели, учитывающие лишь основные, и наиболее существенные особенности атмосферных процессов. Этот путь заманчив своей предполагаемой простотой. Беда в том, что зачастую еще не ясно, что главное, а, что лишь приправа в «кухне погоды». Здесь все упирается в точное знание «удельного веса» отдельных процессов в общей картине.
Существенное значение для составления прогноза погоды имеют теория климата и законы общей циркуляции атмосферы.
В последние годы большое внимание уделялось теоретическим моделям общей циркуляции атмосферы на планете, и математическим экспериментам на ЭВМ. На основе данных по общей циркуляции атмосферы уже начаты математические эксперименты. Речь идет о прогнозе погоды малой заблаговременности. Работы по гидродинамической теории общей циркуляции атмосферы служат основой изучения энергетики атмосферы, влияют на общие представления о динамике атмосферы. С вводом в действие высокопроизводительных ЭВМ эти работы будут активизироваться. Эти работы закладывают фундамент для долгосрочного (на месяц, на сезон) прогноза погоды.
Атмосферные процессы очень переменчивы, неустойчивы. Однако в этом своеобразном калейдоскопе, где все постоянно меняется, при грубом усреднении все-таки можно обнаружить повторяющиеся картины или, какие-то постоянные факторы. Основываясь на этих усредненных статистических данных, с помощью математики ученые пытаются составлять и решать уравнения долгосрочного прогноза погоды, задачи теории климата, и общей циркуляции атмосферы. Здесь открываются интереснейшие возможности. Ведь эмпирические исследования климата и общей циркуляции атмосферы ведутся очень давно, и уже накоплен богатый материал. Иными словами, нам заранее известен ответ (данные о погоде), по ним можно «восстановить» систему уравнений гидротермодинамики входных данных и отыскать правильное решение. Это, в свою очередь, поможет найти более точное, и правильное решение уравнений долгосрочного прогноза.
Развитие исследований по теории прогноза погоды и общей циркуляции атмосферы тесно связано с состоянием вычислительной математики, и вычислительной техники. Методы численного решения уравнений динамики атмосферных процессов требуют глубокой проработки различных вопросов теории вычислений, поскольку по разнообразию типов уравнений и широте постановки задач проблема прогноза погоды, пожалуй, не имеет себе равных.
Поиск эффективных алгоритмов решения задач прогноза погоды-только одна часть работы. Вторая часть связана с реализацией вычислительной схемы на ЭВМ. Теория прогноза погоды - это, несомненно, одно из уже созревших направлений для применения наиболее мощных ЭВМ. Возможно, что потребуется конструировать для этой задачи специальные ЭВМ с высоким быстродействием, и чрезвычайно вместительной оперативной памятью.
ЗНАТЬ ФИЗИКУ
Развивается количественная теория прогноза погоды, и на ее пути встают две группы проблем проблемы физической постановки задач, и проблемы математических методов их решения. Первая связана с формулировкой основных уравнений динамики и термодинамики атмосферных процессов, учитывающих разнообразие перехода одних форм энергии в другие. Это прежде всего задачи физики атмосферы.
Вторая группа проблем - это решение уравнений динамики атмосферных процессов, то есть задач прикладной, и вычислительной математики, а также вычислительной техники.
Один из наиболее важных вопросов физики атмосферы - выяснить механизм обмена энергией между подстилающей поверхностью (поверхность Земли - суша или море) и свободной атмосферой.
Неравномерно нагреваемая Солнцем земная поверхность столь же неравномерно передает тепло воздушным массам, приводя их в движение. Воздушные потоки вблизи Земли теряют часть механической энергии из-за трения, в них образуются вихри различных масштабов, подобные вихрям в водных потоках. Чтобы математически описать взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью, необходимо знать закономерности турбулентного переноса тепла, количества движения, и влажности. Однако у нас до сих пор нет достаточно полной и универсальной теории турбулентности, поэтому на ряд вопросов о физике происходящих явлений можно получить лишь весьма приблизительный ответ. В планетарном пограничном слое формируются сложные локальные метеорологические процессы, которые во многих случаях оказывают сильное влияние на характер погоды конкретных районов Земли. Именно поэтому исследования физики пограничного слоя атмосферы играют важную роль в проблеме прогноза погоды.
Существенное значение для прогноза погоды имеет изучение лучистого теплообмена в атмосфере. Сейчас учет радиации, как правило, ведется на весьма упрощенных моделях. Стоит задача более детально учитывать процессы лучистого теплообмена.
Солнце - основной источник энергии, поступающей на Землю. Поэтому изменение солнечной активности влечет за собой изменения климата, и общей циркуляции атмосферы. Эти изменения, как правило, многолетние, долгопериодные.
Одновременно с долгопериодными изменениями постоянно возникают так называемые флуктуации солнечной активности - короткопериодные (порядка недели) изменения. Их роль пока еще до конца не выяснена, хотя есть основания считать, что в ряде случаев они могут стать «опорными столбами» при составлении долгосрочного прогноза погоды.
Проблема солнечно-атмосферных связей сейчас усиленно изучается специалистами самых разных научных направлений, и можно надеяться, что существенные успехи будут достигнуты уже в ближайшем пятилетии.
Весьма существенны для прогноза погоды исследования фазовых переходов влаги из одних форм в другие. Водяной пар в атмосфере выполняет в основном две функции. Одна связана с изменением радиационных свойств, а, следовательно, и теплового обмена атмосферы, другая - с выделением или поглощением тепла при переходах из одной фазы в другую
Мы еще очень мало знаем о том, как протекает процесс образования облаков, конденсация и испарение, кристаллизация, и другие эффекты в облаках. Между тем именно облачные системы чаще всего приводят к нерегулярности в погоде на земном шаре. Правильное теоретическое описание зарождения, жизни и исчезновения облачных систем, несомненно, поможет создать надежные методы предсказания погоды на длительные сроки.
ДЫХАНИЕ ОКЕАНА
На процессы, происходящие в атмосфере, огромное влияние оказывает Мировой океан. Ведь вода занимает 71 процент поверхности нашей планеты, а материки - не более чем острова в Мировом океане. Это значит, что почти три четверти нижнего слоя атмосферы взаимодействует с океаном. Процессы, происходящие над океаном, в значительной степени определяют формирование погоды над континентами.
Океан - это, как бы аккумулятор энергии атмосферных процессов. Как система с высокой инерционностью, океан долго «помнит» о происшедших в его режиме изменениях, и так же долго «напоминает» о них через атмосферные процессы.
Памятное всем лето 1972 года было необычайно знойным потому, объясняют метеорологи, что температура воды в Северной Атлантике, включая Норвежское и Баренцево моря, поднялась выше нормы. В Гидрометцентре СССР подсчитано что если температура стометрового слоя океана изменится всего лишь на одну десятую градуса, это может привести к изменению температуры атмосферы уже на шесть градусов.
Воздушные течения, которые во многом обязаны своим рождением океану, в свою очередь, вмешиваются в его жизнь, и порой в десятки раз изменяют величину теплообмена и испарения с водной поверхности. Это вызывает циркуляционные движения воды планетарных масштабов, а также местные ветровые, и нагонные течения.
Например, хорошо известные всем ленинградские наводнения, как правило (за исключением случаев, когда это связано с ледяными заторами), бывают порождены атмосферными циклопами, нагоняющими воду в Финский залив и устье Невы.
Мировой океан - это постоянно действующий фактор в формировании погоды. Его влияние проявляется по-разному бурно протекающий обмен теплом на границе атмосфера - океан, радиация, излучаемая поверхностным слоем воды, испарение воды, и последующие преобразования влаги в атмосфере. Все эти процессы тесно связаны с динамикой и термодинамикой (закономерностями теплопереноса) планетарного пограничного слоя атмосферы.
Чем длиннее период, на который составляется прогноз погоды, тем большее значение приходится придавать процессам взаимодействия атмосферы, и океана.
Составляя прогноз погоды на несколько дней вперед, океан, вероятно, можно считать консервативной средой с неизменной температурой поверхностного слоя. Это понятно, потому, что температурные изменения поверхностного слоя воды в океане на больших пространствах значительно меньше, чем колебания температуры в атмосфере. Каждый купальщик знает, что температура воздуха может резко измениться в течение дня, вода же нагревается и остывает медленно.
Когда составляют прогноз погоды большой заблаговременности (на месяц, на сезон, на год), поверхностный слой океана уже нельзя считать консервативной средой. За длительный срок поля морских течений заметно меняются. Значит, встает задача совместно решить уравнения динамики атмосферных процессов, и океанических течений. Только так можно получить основу прогноза погоды на длительные сроки. Разумеется, это требует глубоких исследований по физике атмосферы и океана, а также новых методов решения математических задач на высокопроизводительных ЭВМ.
Бурно развивающаяся теория взаимодействия атмосферы, и океана постепенно и объективно стирает различия в подходах к решению атмосферных, и океанических задач, рассматривая их, как элементы большой информационной системы.
Этому в немалой степени способствует все более крепнущий профессиональный контакт между исследователями атмосферы и океана. В результате такого контакта постепенно формируются общие подходы к постановке задач динамики атмосферы, и океана, хотя известное своеобразие в их постановке неизбежно сохраняется.
Сейчас уже выработан более или менее единый подход к этим задачам на основе новых методов и средств современной вычислительной математики.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ - СКУДНОСТЬ И ОБИЛИЕ
Нельзя правильно предсказать, как будут развиваться атмосферные явления, если не обладать достоверной, и полной информацией об их состоянии на данный момент.
Успешность прогноза погоды существенно связана с точностью входных, исходных, начальных данных о состоянии атмосферы - температуры, давления, скорости и направления ветра, влажности, облачности.
К сожалению, метеоцентры далеко не всегда располагают этими данными. Метеостанции распределены по земной поверхности очень неравномерно, в основном на континентах, да, и там лишь в наиболее населенных районах. В океанах на островах, на кораблях погоды метеоустановок ничтожно мало. Поэтому и получается, что измерение параметров атмосферы производится в точках, отстоящих друг от друга на сотни, а то, и на тысячу километров. Столь же неравномерно распределение наблюдений по толще атмосферы девять десятых наблюдательных станций фиксируют состояние приземного слоя. Одна десятая информации поступает со станций, ведущих аэрологическое зондирование слоев атмосферы до высот примерно в 30 километров. Данные для больших высот могут быть получены только путем ракетного зондирования. Некоторые специалисты считают, что мы едва ли располагаем одной третью метеорологической информации, необходимой для прогноза погоды. Но и эта одна треть представляет собой гигантское количество цифровых данных о многочисленных измерениях, распределенных весьма неравномерно, как в пространстве, так, и во времени, различающихся по точности и по способам их кодирования, и передачи.
Такие данные нельзя использовать непосредственно для прогноза погоды. Вот почему сейчас особое значение придается так называемому объективному анализу. Объективный анализ задает и осуществляет программу (алгоритм) для получения данных в точной регулярной сетке, в которой ведутся вычисления по данным наблюдений на подвижных, и неподвижных станциях, на поверхности планеты и над ней. При этом необходимо еще согласовать метеорологические поля, то есть уточнить од-пи величины на основании других, связанных с ними законами физики, а также исключать явно ошибочные данные.
Однако даже наиболее совершенный объективный анализ не может восполнить недостаточность современной сети наблюдений. Недостаток информации о состоянии атмосферы стал весьма ощутимым.
Увеличение объема информации идет сейчас не только традиционным путем - увеличением числа метеостанций. Все большую роль начинают играть новые виды информации, среди которых первое место по праву принадлежит наблюдениям со спутников.
Метеорологические спутники на службе погоды дают такое обилие информации, что перед исследователями встают новые задачи эффективно использовать эти данные для целей прогноза. Информация, доставляемая метеорологическими спутниками, позволяет, например, строить весьма полные карты облачных систем в атмосфере, помогает обнаружить зарождающиеся тайфуны, и проследить их траектории.
Со спутников ведутся наблюдения за радиационным балансом земной поверхности. Эти данные позволяют определить, как распределены метеорологические элементы (температура, влажность, плотность аэрозолей и другие) по всей толще атмосферы и таким образом получать дополнительную ценную информацию о полях метеорологических элементов, необходимую для прогноза погоды.
Одним из путей повышения надежности начальных данных может послужить так называемый четырехмерный объективный анализ.
Этот метод состоит в том, что восстанавливают метеоданные о, каком-то определенном пространстве за длительный срок (время и есть «четвертая мера», участвующая в расчетах). Получается довольно сложная обратная задача, однако это метод вполне реальный, и экономически выгодный. Поэтому сейчас к его разработке прилагаются значительные усилия.
Совершенно новые, необычайно широкие возможности для получения исходных данных о состоянии атмосферы открывает лазерная техника. Без преувеличения можно сказать, что внедрение лазерного зондирования в мировую сеть гидрометеорологических станций совершит революцию в исследованиях атмосферы.
Достоинства лазерного зондирования дистанционность измерений, широкий спектр данных (плотность, температура, давление, концентрация аэрозолей, неоднородность атмосферы), возможность провести измерения практически на любой высоте, быстрота (сигнал распространяется со скоростью света), все полученные данные можно немедленно обработать на ЭВМ.
Однако, прежде чем все эти возможности лазерного зондирования атмосферы станут реальностью, предстоит большая работа, как по созданию лазерных локационных систем, так и по решению математических проблем однозначного извлечения необходимой информации из результатов зондирования.
Новые методы, и техника зондирования атмосферы и океана вместе с метеорологическими спутниками позволят сделать крупный шаг в изучении количественных характеристик атмосферы в масштабе всего земного шара.
ОБЪЕДИНЕНИЕ УСИЛИЙ
Ученые уже располагают необходимой теоретической базой для штурма долгосрочного предвычисления погоды. Главная проблема сейчас в том, чтобы получить достаточную, и объективную информацию о состоянии всей атмосферы и особенно Мирового океана на тот момент, когда составляется долгосрочный прогноз погоды. Важно, конечно, еще повысить мощность электронной вычислительной техники, способной эту информацию оперативно переработать.
Прогноз погоды - задача глобальная в самом прямом смысле, по своим планетарным масштабам. Поэтому международное сотрудничество в этой области - насущная необходимость для всех стран, и народов.
Международная метеорологическая организация существует уже около ста лет, с ее помощью было проведено несколько международных программ геофизических исследований (Международный полярный год, Международный геофизический год, Международный год спокойного Солнца).
. Сейчас осуществляется одновременно несколько программ сотрудничества метеорологических служб мира между собой. Одна из них - так называемая Программа всемирной службы погоды. Другая международная программа - Программа исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП).
Ядро всей программы - численные эксперименты, разработка и проверка численными методами ряда теоретических моделей различных аспектов поведения атмосферы для того, чтобы более точно описать важнейшие физические процессы, и их взаимодействия.
Одна из составных частей этой обширной программы - КЭНЭКС - Комплексный энергетический эксперимент. Его цель - всесторонне изучить энергетику атмосферы и «энергетическое взаимодействие» между воздушной оболочкой Земли, и подстилающей поверхностью, между сушей и водой. Ученым предстоит исследовать перенос всех категорий энергии, и все виды притока тепла в атмосфере, проанализировать, какие из них являются определяющими в типичных физико-географических районах (пустыня, степь, лес, водные бассейны, крупные промышленные центры).
Советские ученые принимают в этих широких международных программах самое активное участие. Кроме того, Советский Союз ведет целый ряд работ по двусторонним соглашениям.
Так, комплексная советско-индийская экспедиция «Муссон» занимается изучением процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере в зоне Аравийского моря - области зарождения грозных муссонов, приносящих на Индостанский полуостров опустошительные ливни.
Во время визита Л. И. Брежнева в Соединенные Штаты Америки было подписано соглашение о сотрудничестве наших стран в области исследования Мирового океана. Среди наиболее важных фундаментальных, и прикладных проблем, по которым предстоит сотрудничество, первой названа проблема крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы. Для ее решения будут проводиться не только лабораторные, и натурные эксперименты, но и математическое моделирование системы океан - атмосфера.
Сотрудничество ученых разных стран в области исследований атмосферы, и океана, безусловно, уже в ближайшие годы принесет реальные благодатные плоды.
ЛИТЕРАТУРА
Гандни Л. С. «Машина предсказывает погоду». Л., 1965.
Гутман Л. Н. «Введение в нелинейную теорию мезометеорологии». Л., 1969.
Кибель И. А. «Введение в гидродинамические методы прогноза погоды». М 1957.
Марчук Г. И. «Численные методы в прогнозе погоды». Л., 1967.
Монин А. С. «Прогноз погоды, как задача физики». М., 1969.
Томпсон Ф. «Анализ и предсказание погоды численными методами». М.. 1962 (перевод с английского).
