«Наука наблюдений»: метеоролог — о точности прогнозов погоды и народных приметах

— Вадим Алексеевич, 23 марта — Всемирный метеорологический день. Первые метеорологические наблюдения относятся ещё к античности, затем развитие этой науки началось уже в эпоху Возрождения. Расскажите, пожалуйста, когда метеорология оформилась окончательно как наука в своём современном понимании?

— Если говорить о становлении метеорологии как науки, то это, вероятно, вторая половина XIX века. Именно тогда начались массовые метеорологические наблюдения по всей планете, а также была создана Международная метеорологическая организация (ММО). Кроме того, появился ключевой инструмент метеорологии — метеорологическая карта. Это позволило перейти к научному прогнозированию погоды.

Издавна предсказание погоды было критически важно для многих сфер человеческой деятельности. Об этом говорит хотя бы то, что ещё в древности люди наделяли своих богов способностью управлять погодными явлениями. На погоде во многом завязаны мифология и языческие культы. Метеорология — это наука, которая затрагивает все стороны человеческой жизни.

• Карта сейсмостанций на мониторе сотрудника геофизической службы РАН" в Новосибирске.
• РИА Новости
• © Александр Кряжев

— Если мы верно понимаем, то большие перемены в погоде связаны с перепадами атмосферного давления. А почему они происходят?

— Дело в том, что тёплый воздух более разреженный, поэтому давление в нём ниже. Холодный воздух, наоборот, плотнее, и давление в нём выше. Холодный воздух всегда стремится вытеснить тёплый, который перемещается в другие области. Поэтому за теплом приходит холод, за холодом — тепло, и так далее.

— Как сегодня составляются прогнозы погоды, на основе каких данных? Каким образом их собирают и анализируют?

— Всё начинается с наблюдений. Метеорология — это наука наблюдений. Наблюдения проводятся по всему миру в одно и то же время. Это, пожалуй, самая глобализированная сфера человеческой деятельности.

Неважно, где находится наблюдатель — в Буркина-Фасо, на Северном полюсе, в Антарктиде, Вашингтоне, Москве или Австралии, — в определённое время он выходит на метеорологическую площадку. Эти площадки строго стандартизированы: они расположены определённым образом, чтобы исключить влияние внешних факторов, таких как высотные здания, леса или заросли кустов.

Каждый час метеонаблюдатель проводит измерения, затем данные кодируются и отправляются в виде сводки погоды в региональный центр национального уровня. Например, в России это Гидрометцентр. Оттуда информация передаётся дальше, в мировые центры метеорологических данных, которые действуют в Мельбурне, Москве и Вашингтоне. Там вся информация аккумулируется, архивируется и распространяется среди потребителей.

Таким образом, мы получаем первичные данные — тот самый фундамент, на котором строится метеорологический прогноз.

• Циклон
• Gettyimages.ru

Далее есть два сценария составления прогнозов. Первый — синоптический метод. На основе данных наблюдений строятся метеорологические карты, на которых отмечаются циклоны, антициклоны и другие атмосферные явления. Анализируя карты за разные периоды, можно определить, например, что циклон, находящийся над Парижем, движется со скоростью 40 км/ч в сторону Москвы и через два дня окажется там. При этом тёплый воздух в циклоне постепенно остывает: например, на 2-3 градуса каждые 100 км. Таким образом, если в Париже +20 °C, то в Москве будет +10 °C. Этот метод, конечно, более трудоёмкий и требует значительного участия человека. А человек может что-то пропустить, не заметить и т. д.

Второй метод — численный, математический. Он требует мощных вычислительных ресурсов, суперкомпьютеров. Дело в том, что данные с метеостанций по всему миру нужно равномерно распределить. Например, во Франции в радиусе тысячи километров от Парижа может быть тысяча станций, а на Русской равнине в том же радиусе от Москвы — всего пятьсот. Чтобы все данные имели одинаковый вес в расчётах, их нужно интерполировать на узлы регулярной сетки. Таким образом, вместо прямых наблюдений мы получаем интерполированные значения с равномерным шагом.

На следующем этапе используются уравнения гидродинамики, которые позволяют оценить физическое состояние атмосферы в каждой точке и спрогнозировать её эволюцию. Это тоже крайне сложная задача, требующая множества итераций и расчётов. Полноценные гидродинамические модели применяются лишь в нескольких мировых метеорологических центрах — в Вашингтоне, Европе, Москве и Японии.

— А как решается проблема отсутствия данных с каких-то участков планеты, или пустынных, или тех, где происходят гуманитарные и военные кризисы и сбор метеоданных поэтому затруднён?

— Это создаёт сложности и мешает точному прогнозированию. Приведу такой пример: в 1990-х годах, после распада Советского Союза, многие метеостанции в Сибири были закрыты. Из-за недофинансирования люди  были просто вынуждены покидать отдалённые районы. В результате потеря метеорологических данных из Сибири привела к ухудшению качества прогнозов в США почти на 10%.

Ещё один яркий пример — Вторая мировая война. Атмосферные процессы движутся с запада на восток, а Советский Союз был отрезан от западных источников метеорологической информации. В условиях глобальных конфликтов такие данные засекречиваются и никто ими не делится.

• Движение звёзд вокруг радара на Северном полюсе над куполом радара
• Gettyimages.ru

Чтобы восполнить пробелы, метеорологов забрасывали в партизанские отряды и даже высаживали на необитаемые острова Балтийского моря. Это позволяло сформировать хотя бы примерную картину погодных явлений в Западном полушарии. Для этого были разработаны методы прогнозирования и восстановления метеорологических данных на основе фрагментарной информации. Дело в том, что многие атмосферные процессы симметричны, и, анализируя эту симметрию, можно было делать предположения. Например, если над Москвой был циклон, а над Польшей — антициклон, то где-то в районе Парижа или Берлина, вероятно, находился ещё один циклон.

Сейчас, конечно, всё проще, у нас есть метеорологические спутники, которые дистанционно зондируют атмосферу из космоса. Благодаря этому мы получаем данные даже из охваченных войнами или стихийными бедствиями регионов.

— Могут ли спутники в принципе заменить наземные метеостанции?

— Нет, дистанционные измерения всё же не могут сравниться по точности с непосредственными замерами. Спутники выручают, когда нет других источников данных, но полностью заменить наземные станции они не могут.

В 1990-х годах, после распада Советского Союза, Россия практически лишилась своей метеорологической спутниковой группировки. Тогда считали, что нет смысла тратить деньги на свои спутники, если данные можно получать от европейских партнёров бесплатно. Однако сейчас европейские спутники больше не предоставляют нам информацию. Поэтому в России ведётся работа по восстановлению своей спутниковой группировки.

— Влияет ли на работу метеорологов глобальное изменение климата?

— Нет, не влияет. Уравнения гидродинамики работают одинаково хорошо как для атмосферы Земли, так и для атмосферы Венеры или Марса. Внешние параметры, такие как глобальное потепление, не оказывают существенного влияния на эти модели. Главное — это исходные данные.

• Метео-станция в Альпах
• Gettyimages.ru

— Насколько точным может быть прогноз погоды сегодня? За сколько дней имеет смысл смотреть прогноз на какую-то конкретную дату?

— Если говорить о синоптическом методе, то его точность сохраняется максимум на одни-двое суток. Гидродинамический прогноз даёт очень хороший результат на первые пять суток — вероятность его точности составляет около 95%. Однако с увеличением срока качество прогноза снижается.

Что касается долгосрочных прогнозов, то метеорология пока не достигла уровня, позволяющего делать гидродинамические прогнозы с высокой точностью на сроки больше декады или месяца. Для таких прогнозов используются исключительно статистические методы. Например, месячный прогноз имеет надёжность около 70%.

— Не могу не спросить вас о прогнозе на апрель и предстоящие весенние месяцы. Чего нам ждать? Какой будет весна?

— В первую декаду марта наблюдалась мощная температурная аномалия, во вторую — её снижение, а в третью декаду тепло вернётся, причём тоже в аномально тёплом характере. Апрель ожидается достаточно тёплым.

Однако, говоря о характере погоды, нужно учитывать физические особенности климата, например, европейской части России. Сейчас юг и средняя полоса уже освободились от снега, а на севере ещё лежат сугробы высотой до полуметра. Пока снег не растает, арктические вторжения останутся нормой для нашего климата. Нужно помнить, что Москву от Арктики отделяет всего около тысячи километров.

Когда арктическая воздушная масса движется над заснеженной территорией, она не прогревается и сохраняет свои свойства вплоть до южных широт. Поэтому такие вторжения всегда бывают очень резкими. Когда снег растает, поверхность земли станет тёплой. Арктический воздух, попадая на прогретую поверхность, постепенно нагревается, и похолодания уже не будут такими сильными.

• Предсказатель погоды - сурок Фил из Пенсильвании
• Gettyimages.ru
• © Jeff Swensen

— С погодой связано немало народных примет как краткосрочных (например, если ласточки летают низко — это к дождю), так и долгосрочных. Например, считается, что, если 11 марта птицы вьют гнёзда на солнечной стороне домов и деревьев, значит, лето будет холодное. Что по поводу таких примет думают учёные? Есть ли под ними какие-то реальные основания? И если да, то не утратили ли они смысла из-за глобального изменения климата?

— Есть фенологические приметы, которые работают в краткосрочной перспективе. Например, при приближении дождевого облака атмосферное давление падает, и мошки, подхваченные нисходящими потоками воздуха, прижимаются к земле. Ласточки, которые питаются этими мошками, начинают летать ближе к поверхности. Или, например, лягушки начинают громко квакать перед дождём. У земноводных кожа очень тонкая, и при повышении влажности они могут дольше находиться вне воды. Поэтому они вылезают из луж и радостно квакают.

Однако в долгосрочной перспективе приметы не работают. Очень часто птицы, обманутые ранним теплом, попадают в снежные бураны.

Ещё один наглядный пример — знаменитый сурок Фил из Пенсильвании, который якобы предсказывает весну. В действительности точность его «прогнозов» составляет не более 40%. По сути, это просто удачное совпадение, а не прогноз.

— Можно ли предсказать погоду по форме облаков?

— Да, по форме облаков и другим видимым признакам можно сделать краткосрочные прогнозы. Например, красный закат говорит об увеличении турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы. Атмосфера становится более замутнённой, и красный спектр света, который меньше всего подвержен рассеянию, становится более заметным. Поэтому красный закат часто предвещает ветреную погоду.

Форма облаков тоже может многое рассказать. Атмосферный фронт имеет характерную облачную систему. Например, за тысячу километров до тёплого фронта появляются перистые облака. Если голубое небо начинает затягивать белёсой пеленой, это значит, что где-то в тысяче километров от нас находится атмосферный фронт. Если это лето, то в ближайшее время стоит ждать дождей. Если зима — снега или мокрого снега. Так что да, некоторые физические приметы работают, но только на короткую перспективу.