Моделирование погоды

В начале XX в. ученые пришли к выводу, что погоду можно прогнозировать с помощью математических уравнений. Но эти уравнения были настолько сложны, что осуществить проверку теории было практически невозможно. Компьютер справился с этой задачей, и в настоящее время сложнейшие модели погоды широко используются национальными службами. Компьютерное моделирование стало главным инструментом синоптиков при разработке прогнозов. Некоторые модели позволяют составить очень подробный прогноз на один-два дня для ограниченной территории, при помощи других дается менее подробный прогноз, но на одну-две недели. Во многих странах разрабатываются модели повышенной сложности, способные обрабатывать непрерывно увеличивающийся поток данных.

Учесть все.В моделях погоды используется огромное количество математических уравнений, необходимых для вычисления возможного поведения атмосферы и океанов. Одни из них описывают воздушные потоки, другие — образование, движение и исчезновение облаков всех типов и вероятность выпадения дождя, снега или града. В уравнениях должно учитываться множество переменных, которые влияют на формирование погоды. Только с помощью компьютерного моделирования циркуляции всей атмосферы Земли с учетом всех остальных (оптических, аэрозольных, химических и т. д.) процессов, влияющих на нее, можно решить задачи моделирования климата и прогноза погоды. Математическое моделирование с каждым годом совершенствуется благодаря расширению глобальной метеосети наблюдений и самым современным компьютерным технологиям.

Раскрашенная атмосфера.Комбинация ярких цветов, линий и стрелок позволяет показать на карте одновременно несколько параметров погоды. Это дает возможность синоптикам увидеть сочетание и взаимовлияние различных факторов.

Помощь электроники. При моделировании процессов, происходящих в атмосфере, необходимо произвести невероятное количество расчетов. Для этого синоптикам нужны самые мощные и быстродействующие вычислительные машины. Такие суперкомпьютеры используются в мировых метеорологических центрах. Лидирует в списке 500 мощнейших вычислительных систем планеты Earth Simulator (Япония), который способен оперировать моделями с шагом расчетной сетки всего около 10 км. Это дает возможность моделировать климатические процессы с невиданным ранее уровнем детализации, например, наблюдать за локальными циклонами и ураганами на ранних стадиях их образования. В настоящее время прогнозирование по ансамблю, то есть по группе прогнозов, позволяет автоматически получать информацию о вероятностях метеорологических событий применительно к потребностям пользователей. Подобные технологии все более усовершенствуются.

Как выглядит ветер сверху. Прогнозистам необходимо увидеть, как меняется поведение ветра в верхних слоях атмосферы в зависимости от наземных условий. На этом трехмерном изображении стрелками показано, что происходите ветром на различных высотах.

Ограниченные возможности.Прогнозы с заблаговременностью, превышающей несколько часов, почти всегда полностью основываются на численном прогнозировании погоды (ЧПП). Модели ЧПП представляют атмосферу на трехмерной сетке. Точно могут предсказываться только метеорологические системы, которые в несколько раз превышают шаг сетки, и поэтому явления меньших масштабов описываются лишь приблизительно, с использованием статистических и других методов. Такие ограничения в моделях ЧПП оказывают особое влияние на подробные прогнозы местных элементов погоды, такие как облачность и туман, а также экстремальные явления, такие как интенсивные осадки и пиковые порывы. Синоптики знают, что качество некоторых прогнозов страдает из-за наличия районов с очень бедным охватом данными. Поэтому необходимо постоянно совершенствовать системы наблюдений и методы учета и обработки информации в моделях ЧПП.

«Видимая» погода. Современные технологии позволяют создавать трехмерные многоцветные изображения грозы.

Моделирование грозы.В прогнозах широко используются сложные компьютерные модели.На рисунке вверху представлено трехмерное изображение мезомасштабной модели мощной фронтальной грозы над юго-востоком штата Нью-Йорк (США) 31 мая 2002 г. Белым показаны облака, а голубым — грозовые облака. Подобные модели используются для изучения причин возникновения опасных погодных явлений, а полученные данные применяются в моделях прогнозирования текущей погоды.

«Ленточки» ветра. В этой модели использованы ленточки, чтобы показать, как дует ветер в циклоне, а затем в верхних слоях атмосферы. Получилась очень наглядная картина процессов, происходящих в атмосфере.