Прогнозы погоды и климата и присущие им ограничения
1. Успехи XX века
К концу XX столетия мировое метеорологическое
сообщество достигло выдающихся успехов в краткосрочном и среднесрочном
прогнозировании погоды. К таким успехам можно отнести:
- научные достижения в понимании глобальных
атмосферных процессов и динамики атмосферы, в математическом описании
поступающей от Солнца радиации, переноса, отражения, поглощения коротковолнового
и длинноволнового излучения, процессов конденсации и испарения,
таяния/замерзания осадков, механизмов перемешивания воздушных масс, включая
конвекцию и турбулентность, процессов взаимодействия с сушей и океаном;
- разработку в ряде стран глобальных, региональных и
мезомасштабных гидродинамических численных моделей общей циркуляции атмосферы,
позволяющих прогнозировать поля метеорологических элементов на 5-7 суток с
приемлемой для многих потребителей точностью;
- создание в крупных метеорологических центрах,
оснащенных мощной вычислительной техникой уникальных технологий, позволяющих
внедрить эти модели в оперативную практику;
- создание и организацию непрерывного функционирования
глобальных международных систем наблюдений, телесвязи и обработки данных,
позволяющих осуществлять наблюдение за погодой, передачу данных наблюдений в
метеорологические центры и распространение продукции в прогностические центры
Национальных метеорологических служб.
2. Международный характер сложившейся системы
прогнозирования
Оперативное составление прогнозов по гидродинамическим
моделям общей циркуляции требует постоянной поддержки дорогостоящих систем
наблюдений и автоматизированных технологий сбора и обработки глобальной
метеорологической информации, а также наличие мощного научного потенциала для
развития и совершенствования самих моделей. Поэтому в сфере мониторинга и
прогнозирования погоды более 130 лет существует тесное международное
сотрудничество по линии Всемирной Метеорологической Организации (ВМО). ВМО
представляет собой комплексную систему, состоящую из национальных средств и
услуг, которые принадлежат отдельным странам, являющимися членами ВМО. Члены
ВМО берут на себя соответственно своим возможностям обязательства по
согласованной схеме с тем, чтобы все страны могли получать выгоды от
объединенных усилий. В рамках ВМО создана международная прогностическая
индустрия, состоящая из мировых (ММЦ) и региональных (РМЦ) метеорологических
центров, оборудованных современными средствами и технологиями за счет стран,
взявших на себя добровольные обязательства по функционированию таких центров.
Продукция мировых и региональных метеорологических центров в виде численных
анализов и прогнозов метеорологических полей представляется для использования
всем членам ВМО через их национальные метеорологические центры (НМЦ).
3. Изменения в технологии подготовки прогноза погоды
оперативным метеорологом
В результате научных достижений технология составления
прогноза погоды метеорологом в конкретном пункте или районе коренным образом
изменилась по сравнению с прежними годами. Успехи в развитии численного
моделирования атмосферы привели к централизации и даже глобализации основного
этапа прогноза - прогноза полей метеорологических величин, опираясь на который
оперативный метеоролог составляет прогноз элементов и явлений погоды для
конкретного пункта, района или территории. Вместе с тем сохраняется важнейшая
роль прогнозиста в интерпретации выходной продукции численных моделей и
использовании при составлении прогноза объективных методов прогноза
метеорологических величин и явлений погоды, а также оперативных данных
различных наблюдательных систем. Эта роль особенно важна при составлении
прогноза опасных явлений погоды.
4. Ограничения предсказуемости погоды
Оперативные модели, используемые в крупных
метеорологических центрах, имеют предел предсказуемости в 5-7 суток и
отличаются друг от друга по своим характеристикам, применяемым численным
процедурам, технологии обработки данных и мощности вычислительных средств.
Поэтому прогностические значения метеорологических величин могут иметь
различные, хотя и сравнимые значения. Важно также отметить, что большой
прогресс в численном моделировании атмосферы касается, главным образом,
крупномасштабных погодных систем. Мелкомасштабные образования протяженностью
несколько десятков и даже сотен километров, с которыми связаны опасные
гидрометеорологические явления, пока не могут быть спрогнозированы численными
моделями.
Прогноз таких образований составляется специалистом -
синоптиком на основе интерпретации продукции численных моделей и использования
дополнительной информации, отражающей развитие мезомасштабных процессов (данных
радиолокационных наблюдений, спутниковых данных и др.). Поэтому, несмотря на
развитие мезомасштабных численных моделей и автоматизированных средств
наблюдений, прогнозы локальной погоды всегда будут связаны с некоторой
неопределенностью в отношении конкретного местоположения, времени и
интенсивности метеорологических явлений. Особенно это касается экстремальных
явлений, которые возникают редко и внезапно, существуют непродолжительное время
и которые зачастую возможно спрогнозировать только с небольшой (1-3 часа)
заблаговременностью.
5. Борьба с неопределенностью
Строго говоря, неопределенность присуща не только
прогнозам погоды, но и даже степени оценки текущего состояния атмосферы. Если
бы можно было выразить присущую неопределенность количественным образом, то
ценность прогнозов для лиц, принимающих решения значительно бы возросла.
Решение этой проблемы состоит в использовании группы прогнозов (ансамбля) по
ряду отличающихся начальных условий для одной модели или группы моделей
численного прогноза с различными, но равновозможными приближениями. Ансамбль
прогнозов охватывает ряд возможных результатов, обеспечивая диапазон данных,
где могут возрастать неопределенности. В результате по ансамблю прогнозов можно
автоматически получить информацию о вероятностях, применительно к требованиям
потребителей.
6. Долгосрочные прогнозы погоды
Детализированные прогнозы метеорологических величин и
явлений погоды или последовательности метеорологических систем на месяц, на
сезон и далее являются ненадежными. Хаотический характер движений в атмосфере
определяет основной предел предсказуемости порядка 10 дней для таких
детерминистических прогнозов. Однако, некоторая предсказуемость средних
аномалий температуры и осадков существует в течение более длительного периода
благодаря, в основном, взаимодействию между атмосферой и океаном, а также
поверхностью суши и льда. Вместе с тем, по сравнению с атмосферой океан изучен
мало, и поэтому дальнейший прогресс в долгосрочном прогнозировании погоды
невозможен без активизации исследований региональных и глобальных процессов в
океане.
7. Предсказание климата
В прогнозировании климата самыми важными вводными
данными моделей являются будущие изменения в парниковых газах и других
радиационно активных веществах. Они изменяют радиационное воздействие на
планету и вызывают климатические изменения в очень длительных временных
масштабах. Поэтому при моделировании возможного состояния будущего климата
следует употреблять термин «перспективная оценка», а не «прогноз» или
«предсказание».
Физические процессы, которые не являются важными в
прогностических моделях общей циркуляции на срок 5-7 суток и даже при
долгосрочном прогнозировании, становятся определяющими при моделировании
климата. Особенно это касается динамики океанической циркуляции, изменения
ландшафта подстилающей поверхности и эволюции снежно-ледового покрова. Изучение
этих процессов потребует значительных усилий, прежде чем появится возможность
воспроизводить многие аспекты климата реалистично. Вместе с тем, несмотря на
сложность физических процессов, имеется определенная уверенность в том, что
существующие модели климата обеспечивают полезную перспективную оценку его
изменения.
Уже в настоящее время многие модели позволяют
удовлетворительно моделировать климат. Более того, моделирование вполне в
состоянии воспроизвести наблюденные крупномасштабные изменения, произошедшие в
приземной температуре воздуха за двадцатое столетие. Эта крупномасштабная
согласованность между результатами моделирования и наблюдениями придает
уверенность в оценках темпов потепления, рассчитанных на следующий век.
Моделирование наблюдаемой естественной изменчивости (например, явления Эль-Ниньо,
муссонной циркуляции, северо-атлантического колебания) также улучшилось.
С другой стороны, систематические ошибки все еще
слишком велики. Одним из факторов, ограничивающих уверенность в перспективной
оценке изменения климата, является неопределенность внешнего воздействия
(например, будущей концентрации атмосферной двуокиси углерода и других
парниковых газов и аэрозольных нагрузок).
Как и в случае с прогнозами на средние сроки и
долгосрочными прогнозами, перспективные оценки климата по ансамблю также являются
чрезвычайно важными. Ансамбли позволяют выделить более четко статистически
значимый сигнал изменения климата.
8. Заключение
Успешность метеорологических прогнозов существенно
выросла к концу XX столетия. Это связано с развитием глобальных моделей численного
прогнозирования общей циркуляции, достижениями в наблюдениях, системах
телесвязи и в вычислительной технике. Тем не менее, каждой прогностической
компоненте присущи свои неопределенности. Некоторые из них связаны с
недостаточной изученностью исключительно сложных процессов атмосферы и океана.
Другие требуют дальнейших усилий в развитии наземной и космической систем
наблюдений, а также в вычислительной технике. Требуется постоянное внимание
проведению научных исследований и внедрению полученных знаний в практику
прогнозирования на основе постоянно развивающихся уникальных технологий,
существующих в крупных метеорологических центрах.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы
материалы с сайта http://www.primpogoda.ru/