Переливы погоды

Численный прогноз погоды строится путем решения так называемых полных нелинейных дифференциальных уравнений, которые основываются на трех фундаментальных законах сохранения - массы, количества движения и энергии. Первый из них дает возможность сформулировать уравнения неразрывности и диффузии. Закон сохранения количества движения позволяет записать уравнения движения, а закон сохранения энергии - уравнение притока тепла. При этом учитывается перераспределение энергии путем излучения, конвекции, взаимодействие движущихся частиц воздуха с подстилающей поверхностью, образование облаков и выпадение осадков.

Прогнозы погоды обычно подразделяют на краткосрочные (2-72 часа), среднесрочные (3-10 суток) и долгосрочные (месячные и сезонные прогнозы). Такое деление не является формальным, а связано с физическими особенностями атмосферных процессов. Если движение воздушных масс определяется в основном собственной динамикой атмосферы, то прогнозы считаются краткосрочными. Если же оно зависит от медленно меняющихся граничных условий (например, температуры поверхности океана), то мы имеем дело с долгосрочным прогнозом. Среднесрочный прогноз занимает промежуточное положение: движение воздуха зависит как от начальных состояний атмосферы, так и от граничных условий. Для успешного решения поставленных задач требуются различные численные модели, которые отличаются друг от друга набором учитываемых физических процессов, играющих доминантную роль.

Гидрометеорологический центр России является одним из трех мировых центров (Москва, Вашингтон, Мельбурн), имеющих иерархию численных моделей, различных по масштабу воспроизводимых явлений. Глобальная модель представляет атмосферные процессы на всем земном шаре при прогнозе до 7-10 суток; региональная более подробно рассматривает метеорологические процессы на территории Европы и России с заблаговременностью до двух суток; мезомасштабная модель предназначена для детального отображения метеорологических явлений в районе Москвы и Московской области в пределах суток.

Глобальная модель атмосферы основана на системе уравнений гидротермодинамики бароклинной атмосферы ¹, для решения которой используется спектральный подход. В модель атмосферных движений включены описания таких физических механизмов как перенос радиации, турбулентность в пограничном слое и в свободной атмосфере, обмен теплом, влагой и импульсом с подстилающей поверхностью суши и с океаном, фазовые превращения влаги в атмосфере и др. В 1997 году модель была реализована на суперкомпьютере Cray, в конфигурации «T40L15-Северное полушарие» (это соответствует шагу широтно-долготной сетки 2,8° на пятнадцати атмосферных уровнях), а в 1999 году - в конфигурации «T85L31-Глобус» (шаг 1,4° на тридцати одном уровне). Модель ежедневно предвычисляет метеорологические поля в толще атмосферы до высоты 30 км с заблаговременностью до десяти суток. Прототипом этой разработки послужила спектральная модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды, которая по своим прогностическим характеристикам заметно превосходила другие аналоги.

Региональная модель с высоким пространственным разрешением была разработана в Гидрометцентре России в 1998 году. В ней учитываются фазовые переходы влаги (рассчитываются осадки за семь шестичасовых сроков), приземное трение. Расчет производится на сетке с разрешением по горизонтали 75 км и на тридцати уровнях по вертикали. Высокое пространственное разрешение позволяет не только улучшить статистические характеристики качества прогноза температуры и ветра, но и воспроизводить такие эффекты, как перемещение зон атмосферных фронтов и связанных с ними полей осадков.

Мезомасштабная модель предназначена для локального прогноза атмосферных характеристик с высоким пространственным разрешением. В настоящее время разрабатываются два варианта модели, различающиеся параметризацией таких погодообразующих механизмов, как атмосферная турбулентность, превращения атмосферной влаги, радиация, орографические эффекты (то есть влияние горных систем). Оба варианта модели определяют прогностические поля температуры, давления, скорости ветра, влажности, водности облаков и осадков, а также гидротермический режим почвы на срок до 36 часов.

Возникает вопрос, могут ли подобные модели предсказывать особо опасные явления погоды? Основываясь на анализе качества прогнозов, ученые пришли к следующему выводу. В условиях, когда погода определяется системами атмосферной циркуляции синоптического масштаба (например, циклонами и антициклонами), точность прогноза облачности, скорости и направления ветра, а также температуры воздуха и осадков довольно высокая и составляет в среднем около 90%. В целом по району (например, московский регион) такие опасные явления, как грозы, смерчи, шквалы могут быть предсказаны за 24 часа, однако точно указать, где и когда они произойдут, невозможно даже с помощью самых лучших современных моделей и суперЭВМ.

Особое место в деятельности Гидрометцентра России занимают долгосрочные прогнозы погоды, которые в силу своей чрезвычайной сложности и важности были справедливо названы проблемой века. Вряд ли когда-нибудь люди смогут ответить на вопрос: будет ли в таком-то месте дождь такого-то числа следующего месяца? Поэтому рациональная постановка задачи долгосрочного прогноза сводится к определению глобальных аномалий циркуляции (таких как явление Эль-Ниньо ², муссоны, планетарные волны), а также осредненных за тот или иной интервал времени метеорологических полей или характеристик погоды (прежде всего, температуры и осадков). Построение гидродинамической теории крупномасштабных атмосферных процессов связано с рядом пока не решенных проблем, которые широко обсуждаются в научном сообществе и одной из них является проблема предсказуемости, тесно связанная с неопределенностью численных моделей. Источником неопределенности являются: хаотическое поведение самой атмосферы, несовершенство физической параметризации, ошибки численного интегрирования и, наконец, ошибки в начальных данных, быстро растущие в процессе численного интегрирования уравнений гидротермодинамики. Исследователи шутят: «Какой бы расчет вы ни делали, любая ошибка, которая может в него вкрасться, - обязательно вкрадется».

Почти полвека назад было установлено, что предел предсказуемости мгновенных состояний атмосферы меняется от нескольких дней до нескольких недель. В 1970-е годы весьма привлекательной представлялась идея о решающей роли внешних воздействий в долгопериодной динамике атмосферы, с помощью которой ученые надеялись преодолеть злополучный рубеж. Предполагалось, что для больших промежутков времени (десять дней и более) состояние атмосферы уже не будет зависеть от начальных условий, а будет определяться притоками энергии извне. При этом важнейшая роль должна принадлежать поверхности океана, так как вследствие большой теплоемкости воды теплосодержание деятельного слоя моря может быть намного выше, чем деятельного слоя почвы ³. Поиски внешнего источника энергии, определяющего долгопериодные колебания атмосферы, увели ученых далеко за границы северного полушария. В 80-е годы объектом пристального внимания стало явление Эль-Ниньо, с которым связывали значительные аномалии в погоде, наблюдаемые не только в тропических широтах Тихого океана, но и далеко за их пределами. Однако надежды на скорое решение проблемы долгосрочных прогнозов погоды путем включения в численные схемы океана пока не оправдались. Как не привели к росту качества и попытки увеличения пространственного разрешения моделей. Сравнение моделей общей циркуляции атмосферы, разработанных в мировых метеорологических центрах, показало, что даже в лучших моделях отрезок времени, называемый интервалом практической предсказуемости, составляет семь суток. По разным оценкам, он может быть увеличен до двух-трех недель в зависимости от сезона, региона и устойчивости атмосферной циркуляции.

Успешность прогнозов погоды проверяется путем сравнения расчетных значений метеорологических параметров с теми, которые наблюдались в действительности. Качество долгосрочных прогнозов приземной температуры воздуха в среднем находится на уровне 65-70%. Однако оно сильно колеблется от случая к случаю. Камнем преткновения всех методов прогноза является экстремальные, из ряда вон выходящие ситуации. Так, например, нынешний июль уже вошел в историю метеорологических наблюдений, как очень жаркий месяц. На рисунке (см. предыдущую страницу) приводятся прогностические и фактические поля средней месячной температуры воздуха в июле 2001 года, составленные 30 июня. Как видно, схема достаточной хорошо воспроизвела общий фон распределения температуру воздуха, но оказалась бессильной перед наблюдавшимися в природе аномалиями.

Во всем мире продолжаются исследования, направленные на создание все более сложных, в том числе и совместных моделей океана и атмосферы. Именно на таких моделях был получен заблаговременный прогноз (четыре месяца) наступления рекордного по интенсивности и продолжительности явления Эль-Ниньо 1997-98 гг. Это достижение стало одним из самых многообещающих результатов последнего десятилетия. Однако в целом XX век так и не смог решить проблему долгосрочного прогноза погоды, окажется ли она по силам веку XXI?

Врезка

[i41226]