Численные методы изменений атмосферного давления

От веку таким учетом занимаются синоптики (в вольном переводе с греческого — «обозреватели»). Метод их работы напоминает юриспруденцию в старой Англии. Там судья, разбирая какое-нибудь дело, отыскивал в анналах истории подобное же дело и принимал решение такое же, какое принял когда-то его предшественник. Так и синоптик: обозрев синоптические карты и оценив по метеосводкам начальное, исходное состояние погоды, по аналогии с тем, как в прошлом в подобных ситуациях развивались события, делает соответствующий прогноз. Это, конечно, упрощенное описание, но, по сути дела, точность прогнозов зависит в основном от опыта и интуиции синоптика. Лучших из них называют «богами погоды». Синоптики сейчас иа первых ролях в службе погоды и еще долго останутся на этой позиции. Однако истина в том, что в метеорологии грядет новая эра: синоптические, качественные методы уступают место количественным, гидродинамическим методам, основанным на законах движения жидкостей и газов. Тут все метеорологические элементы (ветер, давление, влажность и прочее) описываются чрезвычайно сложными уравнениями из арсенала гидродинамики, которые надо не только составить, но еще и решить…

[smszamok]

Снимки Земли, сделанные иэ космического корабля над полюсами: справа — северное полушарие, слева — южное. Белые пятна — облачность — тяготеют к полюсам, как бы открывая экваториальную область солнечным лучам… Но так, конечно, бывает не всегда. Первая попытка рассчитать погоду была предпринята в Англии более полувека назад. Большой коллектив вычислителей затратил полгода на расчет суточного прогноза! И потерпел неудачу. Закономерную, надо сказать. Дело в том, что англичане пытались действительно учесть «все на свете», их система уравнений включала как существенные факторы, так н малозначащие — те, что специалисты называют метеорологическими шумами. Были там и ошибки математического порядка. Но иначе получиться и не могло, ибо ни теории подобных расчетов, ни необходимой вычислительной техники тогда еще не существовало. И лишь в 60-х годах, когда и теория и электронная вычислительная техника утвердились и окрепли, стало возможным не предсказывать, а «вычислять» погоду.

Любопытно хотя бы вкратце проследить, как складывались эти схемы, как сейчас составляется прогноз погоды. Поначалу численные методы позволяли прогнозировать лишь изменения атмосферного давления. Правда, это важнейший метеоэлемент, ибо вариации давления определяют направление воздушных потоков. На основании этого расчета синоптики прогнозировали остальное — осадки, облачность, ветер… В целом прогноз опять-таки зависел от «бога погоды». Позже, с появлением быстродействующих электронных вычислительных машин, в частности, БЭСМ-6, стало возможно учитывать в прогнозах облачность, осадки, температуру, ветер. Однако собрать вместе все эти данные — еще не значит сделать прогноз, надо еще определить степень и характер взаимовлияния метеоэлементов. Иначе говоря, сначала нужно было поставить задачу в физическом смысле (это сделали в Москве и Ленинграде), а потом разработать математические методы ее решения (над чем трудились в Новосибирске).

Для описания каждого из метеоэлементов были выведены отдельные уравнения, но вся их система оказалась чрезвычайно сложной для решения, даже на ЭВМ. Помог метод «расщепления», или «дробных шагов», созданный в Вычислительном центре СО АН академиком Н. Н. Яненко. Коротко суть метода в том, что сложная система уравнений разбивается на последовательный ряд простых уравнений, которые и решают, получая при этом результат, достаточно близкий к истинному. Теперь все это уже используется на практике. Для оперативного прогноза на 24 или на 36 часов используют данные, собранные с ограниченной территории — размером примерно 10 000 X Ю 000 километров, то есть практически это территория Советского Союза плюс Арктика и еще часть Евразии южнее наших границ. Данные метеостанций, находящихся на этой территории, надо перенести на так называемую регулярную сетку с шагом в 300 километров. Но дело в том, что метеостанции разбросаны по Земле неравномерно, а для численных методов необходимо, чтобы начальные значения метеоэлементов были взяты в точках, равно отстоящих друг от друга на всем пространстве, для которого дается прогноз. Эту задачу тоже решают с помощью математики.

Это все для прогноза на сутки. Если же надо заглянуть вперед на трое суток, то данные берут уже со всего северного полушария. Шаг сетки в этом случае измеряется градусами — 10° по долготе и 5° по широте плюс те же 6 уровней в атмосфере. Всего, таким образом, набирается около 25 тысяч начальных «данных. Ну, а затем идет уже собственно прогноз, то есть решение систем уравнений, о чем мы говорили несколько выше. В итоге всей работы электронные вычислительные машины (в гидрометеоцентрах Москвы, Новосибирска, Ташкента и Хабаровска) печатают карты метеоэлементов с указанием, как должна меняться погода в ближайшие сутки. Кажется, остается только опубликовать прогноз. Нет еще. Синоптики не очень-то доверяют машине («боги» же!), они корректируют составленный ею прогноз. Правда, процессы в верхней атмосфере они не трогают — тут машина считает верно. А вот развитие событий у поверхности Земли редактируют. Это легко объяснить: у земли движение воздуха происходит по значительно более сложным законам, чем в верхних слоях атмосферы,— тут на него влияют и горы, и леса, и температура поверхности… К сожалению, нельзя признать, что численные методы дают тут идеальный прогноз, так что синоптики вмешиваются не напрасно. Тем более что в этом случае они прогнозируют для конкретной территории конкретные вещи, более всего интересующие нас,— температуру, осадки, ветер…

Однако не следует думать, что численные методы здесь бессильны. Уравнения гидродинамики, которые описывают фоновые, то есть крупные, определяющие погоду процессы, способны описать и мелкомасштабные события вплоть до движения воздуха от работы вентилятора. Но «обсчитывать» мелочь, имеющую местное значение, надо, чтобы она не путала основной прогноз, по специальной программе, хотя и с учетом фоновых процессов. Это, ПО существу, отдельная задача так называемого локального прогноза,

который дается для совсем небольших районов, размером 300 X 300 километров и на срок 6, 12, 24 часа. Принципиальных трудностей для ее решения нет, над этим работают, но, как говорится, еще очередь не дошла. Но зато когда дойдет, мы сможем с определенной вероятностью узнавать, в котором часу (!) в нашем городе начнется или окончится дождьчения метеоэлементов, полученные с ПОМОЩЬЮ расчетов. (Эти расчеты — самостоятельная задача, и называется она объективным анализом.

До сих пор мы говорили о краткосрочном прогнозе — о «погоде на завтра», столь важной ДЛЯ каждого из нас. Однако для народного хозяйства важнее прогноз долгосрочный — на две недели, месяц и сезон (примерно три месяца). Такой прогноз потиков, выступающих в телевизионной программе «Время»), Отклонения воздушных масс от генерального направления, от общего потока весьма малы (они могут быть вызваны неровностями поверхности, локальными изменениями температуры и прочими причинами), но именно они определяют изменения метеоэлементов. А чтобы определить их размеры и влияние, нужно исключить те же величины основного воздушного потока. Иными словами, чтобы найти гриб, нужно убрать лес…

Во-вторых, западно-восточный перенос увлекает за собой атмосферные возмущения малых и средних масштабов и существенно влияет на движение крупных возмущений — циклонов и антициклонов. Силой инерции эти возмущения отклоняются к западу и, таким образом, движутся против планетарного потока. А скорость этого потока непрерывно меняется, и сами возмущения тоже непрерывно меняются. Поэтому понятно, как нелегко предвидеть, где они окажутся через сутки…
В-третьих, эти возмущения создают в основном потоке турбулентные вихри. Каждый циклон, например, оторвавшись от потока, продолжает взаимодействовать с ним и с соседними вихрями. В результате он распадается на более мелкие вихри, а те, в свою очередь, дробятся дальше. Получается каскад непрерывно уменьшающихся вихрей. С другой стороны, одновременно идет и обратный процесс — укрупнения вихревых образований. И все они существенно влияют на погоду…
В-четвертых, тепловой режим атмосферы формирует прямая солнечная радиация, которую поглощает поверхность океана и континентов. А количество тепла, которое дойдет до поверхности, зависит от силы облачности, отражательной способности поверхности, слоя озона в стратосфере, количества углекислого газа и пыли в тропосфере….
В-пятых, надо учитывать и солнечную активность, повышение которой иногда может сыграть роль спускового механизма, вызывающего нарушения обычного хода атмосферных процессов…

Достаточно? Но ведь это только атмосфера, а есть еще океан, занимающий почти три четверти поверхности планеты и аккумулирующий основную часть энергии СОЛН-ца, поступающей на Землю. В нем тоже постоянно возникают и исчезают свои турбулентные вихри, «работают» мощные планетарные течения и противотечения, переносящие тепло, которое постепенно передается атмосфере. (Интересно, кстати, что во время штормов теплообмен между атмосферой и океаном многократно усиливается.) Важную роль играют, например, экваториальные восточно-западные течения с их противотечениями. Они тоже подвержены изменениям, которые, разумеется, непременно «на^ ходят отклик» в атмосфере.

Такова проблема долгосрочного прогноза погоды в самом общем изложении, на деле она еще сложнее, многократно сложнее. Но… «глаза страшатся, а руки делают»: советские ученые в последние годы накопили ценнейший материал для построения теории и математических моделей динамики атмосферы. Дальнейшее развитие как теоретических исследований, так и практической стороны дела зависит от качества и количества метеорологической информации.

Дело в том, что сеть метеостанций, от которых поступает начальная информация, как мы уже отмечали, расположена на нашей планете весьма неравномерно. В северном полушарии, в Европе и Америке — густо, а в южном полушарии и особенно в океане — пусто. Получается, что две трети поверхности Земли остаются как бы в тени: что там делается в атмосфере и океане — неизвестно. И пока это положение сохраняется, о точности долгосрочных прогнозов говорить не приходится. В самом деле, чтобы предупредить хлебороба о засухе за два месяца, нужно постоянно наблюдать метеорологическую обстановку в определенных районах океана. Но как?..

[/smszamok]

Ученые возлагают тут большие надежды на метеорологические спутники, которые уже прочно вошли в практику службы погоды. Количество и точность информации, которую они поставляют, непрерывно растут. Однако планируется эту их роль поставщиков информации существенно увеличить. В ближайшие годы намечено создать систему из нескольких спутников для глобальных метеорологических наблюдений, программа которых включит в себя измерения облачности, скорости ветра, теплового излучения поверхности Земли и других параметров. Несколько аппаратов в системе будут геостационарными, то есть их движение синхронизируют с вращением Земли, и они для земного наблюдателя будут неподвижно «висеть» над определенным районом поверхностей. Это позволит постоянно наблюдать динамику атмосферных процессов в данном районе.