Кто нам погоду делает. Почему невозможно добиться точных прогнозов?

Почему трудно получить точные прогнозы погоды и зачем метеорологам волос блондинки.

«Единственная особенность москвичей, которая до сих пор осталась мной не разгаданной, — это их постоянный, таинственный интерес к погоде. Все затаив дыхание слушают передачу, чтобы на следующий день уличить её в неточности». Писатель Фазиль Искандер ошибся лишь в одном: погодой интересуются все. Когда же метеорологи перестанут расстраивать нас неточными прогнозами?

А дождь всё равно вне графика!

Для этих людей плохой погоды не бывает – бывает лишь та, которую нужно отследить, замерить, описать.

На «кухне погоды»

Каждые три часа на станции в Мурманске проводят метеорологические наблюдения. Температура, давление, влажность воздуха и характеристики ветра измеряются автоматически. Но без помощи наблюдателя сводка будет неполной.

– Если вдруг выйдет из строя компьютер, сводка будет составлена вручную и передана в Гидрометцентр по телефону. А ещё с советских времён работают гелиограф, плювио­граф, осадко­мер. Нельзя их убирать, мало ли что! Температуру и влажность воздуха непрерывно регистрируют термограф и гигро­граф. Один раз в сутки меняются ленты самописцев, чернила здесь глицериновые, не замерзают, – рассказывает метеоролог Нина Малыгина, отработавшая на гидрометео­станции больше 50 лет. – Плювио­граф, к примеру, ведёт непрерывную запись дождя. Сегодня осадков не было, по­этому на графике ровная линия. В метеорологической будке – термометры, для определения экстремальных температур и влажности воздуха.

Нина Ивановна привычным маршрутом обходит всё оборудование. Для определения количества выпавших осадков 4 раза в сутки проводит замену осадко­сборного ведра. А вот форму и количество облаков здесь определяют на глаз.

– Сегодня облака слоисто-­кучевые, 10 баллов с просветами, – быстро посчитала Нина Ивановна. – Высоту их определяет лазерный измеритель, а форму, учитывая многообразие их видов, может определить только специалист.

10 лет назад на метео­станциях начали устанавливать автоматизированные ­комплексы. Например, на ­Цыпнаволоке, на побережье Баренцева моря, сводки передаются автоматически, синоптики туда ездят только для технического обслуживания.

– Много метеостанций было закрыто ещё в советское время. Думаю, если бы они работали, то сейчас было бы больше информации для составления прогнозов. В Мурманске, например, были градиентные высотные наблюдения на телемачте. На разных высотах измерялись температура и ветер, синоптикам эти данные были очень нужны. Но приборы устарели, их нужно было менять на современные, более дорогие, а это всё деньги, – вздыхает метеоролог.

Арктику нередко называют «кухней погоды», на которой за последние годы сильно ­потеплело.

– За полвека, что я работаю, на Севере стало гораздо теплее, – вспоминает Нина Ивановна. – На самом деле в Мурманске очень сложно прогнозы составлять – погода быстро меняется. Утром можно на работу в босоножках прийти, а вечером снег выпадет! Такие уж условия – в Арктике живём!

С риском для жизни

В Приморском крае прошлое лето отличилось многочисленными тропическими штормами, идущими строго по одной траектории – с юга на север.

– Мы видим приближающийся циклон и просчитываем его приближение за 10 суток вперёд, – поясняет начальник Примгидромета Борис Кубай. – Каждый день ситуация меняется, нарастает погрешность. Мы можем подождать, когда уверенность возрастёт до 100%. Но кому-то важно иметь информацию за несколько суток, чтобы скорректировать свои планы.

А ледяной дождь, обрушившийся на Владивосток 19–20 ноября 2020 г., вошёл в историю разрушительных метео­рологических явлений. Исследователи говорят, что такого не было в здешних краях несколько десятилетий: поваленные деревья и столбы, оборванные провода. Тысячи людей остались тогда без света, тепла, воды.

В тот день на метеостанции, расположенной на сопке Буссе в районе Голубиной Пади, в народе прозванной Гора, дежурил Игорь Субботкин. Когда приборы зафиксировали штормовые порывы, превосходящие 35 м/с, повалило металлические столбы, показывающие силу и направление ветра.

– Упали столбы электропередачи, пропала телефонная связь, интернет, – рассказывает специалист. – Слой льда на голо­лёдном станке доходил до 28 мм! Автоматические приборы вышли из строя, остались дублирующие, работающие в ручном режиме. Обычно нас выручают ветровые мачты с флюгерами, которые передают информацию по кабелю на компьютер в центр Примгидромета. Но чудо техники сломалось, и мне пришлось брать анемометр, выходить на улицу и вручную держать этот прибор, чтобы снять показания. На площадке сносило! Творилось что-то невообразимое.

На важнейших постах наблюдения Владивостока и Артёма до сих пор идут восстановительные работы.

И огород в придачу

Нелегко приходится и метео­рологам, которые работают на метеостанции Локшак, в верховь­ях Зеи в Амурской обл. «Труднодоступные посты находятся на всех крупных реках. И число постов неизменно, по крайней мере с 2015 г., с тех пор, как я руковожу обсерваторией, – рассказывает директор гидрометеообсерватории 2-го разряда Зея Сергей Алексеев. – Пройдут туда только вездеходы – вся доставка на них. Смена работает там целый год, потом идёт в отпуск. На каждом посту есть жилой дом. Связь идёт посредством радиостанций. Режим работы у нас непрерывный. Любой перерыв – это уже пропуск наблюдений, который потом отразится на прогнозах.

На постах иногда бывает текучка персонала – не все психологически справляются. Полгода-год – и увольняются. Я сам на таких постах раз-два в год бываю. Там спокойно, но тишина – просто до звона в ушах. Возможно, это по нервам и бьёт больше всего. Из плюсов тут – рыбалка, дикоросы, свежий воздух. А ещё на каждом посту огородик есть».

Волос – самый точный

– Самыми надёжными помощниками метеорологов остаются приборы, принципы работы которых не меняются десятилетиями, – уверяет начальник отдела гидрометео­обеспечения Волгоградского ЦГМС Наталья Алатырцева. – Их размещают в специальной психрометрической будке. В ней на высоте 2 м установлены 2 термометра: один сухой, другой влажный. К последнему привязана ткань – батист, постоянно смачиваемый дистиллированной водой. Гигрометр – уникальный прибор, в устройстве которого применяется человеческий волос. Причём только от натуральной блондинки – он наиболее чутко реагирует на ­колебания влажности!

Вся информация оперативно передаётся из Волгограда в Северо-Кавказский центр, а оттуда в Обнинский банк метеоданных. Тут на помощь нам пришли компьютеры, а лет 40 назад наш специалист отстукивал информацию азбукой Морзе.

Климат в Ростовской обл. местные жители называют «мерзко континентальным»: зимой – холод и пронизывающий ветер, летом – 40-градусная жара. По­этому предсказывать погоду здесь особенно непросто.

«Мы расположены в равнинной местности и открыты всем возможным погодным явлениям, кроме северного сияния, – говорит начальник Ростовского гидрометцентра Елена Назарова. – Из западной части страны на нас идут циклоны, от которых нет никакой природной защиты в виде гор или лесов. А летом устанавливаются антициклоны, которые и несут тот самый знаменитый ростовский зной. Каким будет эффект от слияния разных явлений, в долгосрочной перспективе предсказать сложно. Поэтому мы даём только достаточно точные прогнозы – на три дня вперёд».

В области действует 19 метеорологических станций. По словам Е. Назаровой, большая часть метеорологов – жители донских городов и посёлков, многие из них люди в возрасте. А в Ростовском гидро­метцентре есть и молодёжь – профессия эта очень интересная.

«Зарплаты у нас федеральные, не менее уровня МРОТ», – говорит эксперт.

Прогнозом не вышел

«Надёжных численных методов прогнозирования опасных природных явлений пока нет», – говорит главный синоптик Уральского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Галина Шепоренко.

И воображение в помощь

– Галина Андрияновна, сегодня часто приговаривают, что, мол, в советские времена и продукты были качественнее, и дома строили лучше, и погоду точнее предсказывали. Это так?

– Вы знаете, нет. Сейчас прогнозы гораздо лучше стали. В ­70-е гг. прогнозировать погоду было сложнее и ошибки случались серьёзные. Тогда возмущённые люди начинали звонить. Их понять можно: мама отвела ребёнка в садик налегке – и вдруг резко похолодало. Это, признаться, действовало на психику, поэтому мы всегда боялись пропустить неблагоприятное состояние погоды.

– Насколько изменились технологии прогнозирования с советских времён?

– Существенно. 30–50 лет назад не было столь распространено численное моделирование. Более надёжные численные модели у нас появились только в ­80-х гг. Они были очень скромные, мелкомасштабные, но всё равно помогали. А до их появления прогноз представлял собой... скажем так, научное воображение синоптика. То есть, зная определённые законы, он воображал, что будет происходить завтра. Делал, конечно, определённые расчёты: как будет себя вести тот или иной объект, как будет выглядеть атмосфера завтра или на вторые-третьи сутки. Но атмосфера – это очень подвижная среда, и любой неучтённый нюанс может нарушить равновесие. Поэтому тогда синоптикам было чрезвычайно сложно и работа специалистов была сопряжена с большими психологическими, эмоциональными нагрузками. Я даже встречала публикации, в которых профессия синоптика относилась к одной из самых стрессовых именно из-за того напряжения, из-за чувства ответственности.

Сегодня же синоптики чувствуют себя гораздо увереннее и прогнозы неплохо оправдываются.

На их синоптический взгляд

– Как в наши дни происходит процесс прогнозирования?

– В его основе лежит синоптический взгляд. У нас на территории области 36 метеостанций, а если брать ещё и Пермский край, Челябинскую и Курган­скую области, то наберутся все 100. Мы собираем метеорологическую информацию: дождь, ветер, какие облака и какова их высота, температура поверхности почвы, влажность воздуха. Свои данные с Уральского куста мы отправляем в кодовом формате в Международный метеорологический центр Росгидромета в Москве. Международный обмен информацией происходит каждые 3 часа. Это очень важно, потому что погода изменчива, атмосфера подвижна, следить за ней необходимо на большой территории.

А сюда из международного центра передаются результаты численного моделирования. Для этого нужны очень большие компьютеры, способные обработать глобальную информацию, – как раз такой есть в Росгидрометцентре. И вот, когда этот компьютер всё посчитает, он выдаёт карту состояния атмо­сферы, благодаря которой мы видим то, что будет завтра: как будет выглядеть атмо­сферное поле, где возникнет циклон, какой он будет интенсивности и так далее. На основе этих моделей строятся вычислительные схемы, которые дают уже непосредственно параметры погоды: температуру, осадки, ветер, облачность.

– Обыкновенному прогнозу погоды предшествует такая огромная работа!

– Да, это очень большая, наукоёмкая и, замечу, недешёвая работа. Сейчас целые страны объединяются в творческие научные коллективы, в которые помимо синоптиков входят и физики и математики, чтобы создать свою численную модель, потому что это тяжело, дорого и времязатратно.

И, конечно, мы занимаемся слежением за опасными явлениями природы – они пока поддаются прогнозированию с трудом. Нет, пожалуй, ни одного надёжного численного метода.

Как град с неба

– Что вы имеете в виду под опасными явлениями ­природы?

– Есть определённый перечень. Скажем, это ветер со скоростью 25 м/с и выше. Так вот, нет таких методов, которые могли бы прогнозировать этот ветер более или менее точно. Или град. Это локальное явление. К примеру, ни одна метеостанция его не зафиксировала, а люди звонят и говорят: «Был град».

Не удаётся пока разработать необходимые методы, чему есть масса причин, в том числе недостаточная наблюдательная сеть. Играет свою роль и недостаточная изученность некоторых объектов атмосферы. К примеру, очень трудно поддаются изучению процессы в облаках – что там происходит на микрофизическом уровне.

Недостаточная мощность вычислительной техники тоже имеет значение.

Но любой, скажем так, спорный случай, повлёкший за собой значительный ущерб, разбирает комиссия. Помню, в мае ­1984-го снег выпал по колено и всё встало. Тогда приезжала комиссия Росгидромета, которая пришла к выводу, что предсказать это заблаго­временно было практически невозможно.

– Практически все отрасли в той или иной степени столкнулись с оптимизаций. Вас она коснулась?

– В 90-х гг. на 30% было уменьшено количество наблюдательных пунктов. До сих пор не получается расширить их сеть. Вообще сети метеостанций по суше распределены неравномерно – где-то густо, где-то пусто. А точность прогноза зависит от того, как далеко от тебя пункт наблюдения. Чем дальше друг от друга эти станции находятся, тем прогноз будет хуже.

– Дефицита кадров у вас нет?

– Есть, конечно! Кадры не очень держатся, потому что зар­платы у нас небольшие. Это обидно, поскольку наблюдательную сеть нужно беречь – она основа всего. Не будет наблюдательной сети (метеостанций, постов по загрязнению атмо­сферы, агрометеорологических, гидрологических) – плохо будет. Никаких прогнозов, ничего не будет!

Кому служат «погодные феи»?

В Европе гордятся точностью своих прогнозов, но и там слова «местами», «вероятно» присут­ствуют в любом прогнозе погоды.

«С каждым дополнительным днём сверх ближайших суток качество прогноза погоды снижается», – предупреждает Немецкая служба метеорологии. В погодных сводках на 24 часа совпадение 90%, а на три ближайших дня – уже 75%. Но при этом в наше время прогноз на следующую неделю столь же точен, как 40 лет назад – на завтра.

Немецкая служба метеорологии – госорганизация в статусе федерального агентства, которая относится к Министерству транспорта и цифровой инфраструктуры. Бюджет на 2021 г. – 361 млн евро, из них 150 млн идут на взносы в международные организации (Европейскую организацию спутниковой метеорологии и др.). Доходы – 19,5 млн в год. В системе наблюдения за погодой и климатом – штабквартира в Оффенбахе, 6 региональных центров, 2200 штатных сотрудников, мониторинговая сеть из 181 базовой метеостанции (из них 164 автоматизированные), 10 станций радиозондирования и 2 обсерватории.

1737 метеопунктов обслуживают волонтёры. Объявление «Ищем добровольных наблюдателей за погодой» можно часто встретить в разных регионах Германии. Что требуется? Подходящий участок земли, где специалисты службы метеорологии установят свои измерительные приборы, наличие интернета и готовность к ручным замерам уровня осадков (данные нужно передавать по утрам каждый день) и поддержанию станции в порядке. За это причитается ежегодная компенсация в 660 евро. Кроме того, в Германии есть целый ряд частных метеослужб и серьёзная конкуренция.

В XIX в. в Германии и России доверяли прогнозам погоды... от лягушек: «Квакша кричит – дождь по крыше стучит». Возможно, поэтому синоптиков и ведущих прогноза погоды на ТВ и радио немцы до сих пор называют «погодная фея» (если это дама) и «погодная лягушка» (в немецком языке она мужского рода).

Как повысить точность метеопрогнозов?

Мысль о том, что с климатом творится что-то неладное, приходила в голову каждому. А учёные твердят об этом не одно ­десятилетие.

Так, может быть, метеорологи ошибаются в прогнозах потому, что погода стала более непредсказуемой?

Владимир Семёнов, замдиректора Института физики атмосферы им. Обухова РАН, завлабораторией климатологии Института географии РАН, член-корреспондент РАН:

- Все знают, что на планете происходят глобальные изменения климата. С начала XX в. температура в среднем выросла на 1–1,2°C. Для России этот показатель в 2 раза выше: на территории нашей страны потеплело в среднем на 2,2–2,4°C.

Где-то потепление идёт быст­рее, где-то медленнее, а где-то отмечаются и похолодания. Поэтому иногда говорят, что климат стал более «нервным», хотя учёные такого слова не используют. В чём проявляется «нервозность»? Потепление сопровождается повышением влажности и ростом числа экстремальных погодных явлений: шквалов, ливней, торнадо. Над всей территорией суши растёт интенсивность осадков.

Россия – огромная страна. Климатические изменения в регионах идут по-разному. Скажем, в целом по России такой показатель, как изменчивость температуры (от суток к суткам, от недели к неделе), сейчас снижается. Это объяснимо: уменьшился градиент температур между северными и южными широтами. Но для Московского региона, к примеру, экстремальность погодных аномалий весной возросла. Мы на себе ощущаем этот контраст, когда в мае внезапно случается вторжение холодных воздушных масс и приходится вновь доставать из шкафов уже убранные зимние вещи.

Может показаться, что увеличение числа экстремальных явлений должно ухудшить качество метеопрогнозов, сделать их менее точными, ведь погода становится такой непредсказуемой. Но на самом деле их точность зависит совсем от других вещей – от начальных данных, от того, насколько хорошо учитываются особенности многочисленных процессов, которые мы пока не можем моделировать и для описания которых используем приближённые уравнения. Что это за процессы? Например, то, что происходит в облаках, формирование капель, осадков. Или испарения с поверхности суши и океана, тепловые потоки, перенос радиации... Часто эти процессы идут на молекулярном уровне, и их нельзя смоделировать в явном виде, а только с ­использованием приближённых формул. Но наука продолжает двигаться в этом направлении и постоянно совершенствует их описание.

Вообще, несмотря на мнение, что метеопрогнозы ошибочны, их точность растёт благодаря развитию компьютерных технологий.

Точность прогнозов связана с пространственным разрешением моделей, которые используют метеорологи. Чем больше разрешение, тем точнее прогноз. И вот как раз для того, чтобы безошибочно предсказывать такие экстремальные явления, как шквалы, торнадо и сильные ливни (то, что бывает при соприкосновении контраст­ных воздушных масс), требуется более высокое пространственное разрешение моделей, чем есть сейчас. Гидрометцентр и сейчас предсказывает эти явления, но точность прогноза всё ещё оставляет желать лучшего.

А при более точном моделировании можно будет прогнозировать, что в конкретном районе в известный промежуток времени будет очень высока вероятность, например, шквала. К сожалению, сейчас невозможно обеспечить всю территорию России такими точными прогнозами. Для этого нужна модель с простран­ственным разрешением 300 м. Чтобы создать её, требуются суперкомпьютеры куда большей мощности, чем есть у нас сейчас. Мы в этой области существенно отстаём.

Точные прогнозы основаны на огромном количестве вычислений. Их скорость немыслимая – около тысячи триллионов вычислений в секунду. Представьте: почти одно­временно, шагом в минуты, а то и в секунды, решаются дифференциальные уравнения с сотнями переменных. Вся территория страны покрыта сеткой с разрешением в 1 км, и в каждой точке постоянно происходят решения таких уравнений. Без мощного супер­компьютера сделать это невозможно. Его наличие – необходимое условие для развития точных метеопрогнозов.

Несколько лет назад Гидро­метцентр приобрёл новый супер­компьютер и пользуется им. Но его производительность уступает европейским и американским вычислительным системам. А у Академии наук и такого нет. Нехватка вычислительных ресурсов, в том числе для климатических исследований, – острейшая проблема ­нашей науки.