Гадания, физика и компьютерное моделирование. Как прогнозы погоды становились точнее30.08.2021 14:03

Как менялись подходы к составлению прогнозов, мы расскажем в нашем материале.

Содержание статьи

1. Гадание на погоду  2. Первые научные обоснования  3. Прогнозы за рубежом  4. Российская практика  5. Советская техника прогноза 6. Космическая одиссея 7. Прогнозы становятся точнее 8. Станут ли прогнозы еще лучше Скрыть

Люди пытались прогнозировать погоду с глубокой древности. Не имея точных инструментов, они ориентировались на символы, суеверия и приметы. Это была скорее попытка угадать будущее, чем предвидеть. Однако этот анализ череды закономерностей стал, возможно, первым прогнозом, который сформулировал человек. Он не был точным, но применялся на практике — в земледелии и мореплавании. 

Первые прогнозы погоды мы можем встретить у древних греков и римлян, в Вавилонии и во времена китайских императоров. Например, Аристотель в своей «Метеорологике» выделил типы осадков и впервые сказал, что осадки вызываются холодом. Прогнозы погоды встречаются даже в Библии. В прошлом люди связывали погодные явления с гневом и милостью духов и богов, поэтому они молились и совершали жертвоприношения. 

Также были популярны попытки прогнозирования погоды по поведению птиц и животных. Кстати, некоторые приметы имеют вполне научное объяснение и действительно работают. Так, согласно исследованию Яндекса, народная примета: «На Самсона идет дождь — семь недель то ж» (10 июля) сбывается в Москве с вероятностью более 50%. При этом крещенские морозы случаются в столице крайне редко и характерны не для всей страны. Регулярно они бывают только в 4 городах: Омск, Хабаровск, Новосибирск и Иркутск. 

Революционное изменение в прогнозировании произошло в XVII веке. Идею создания прибора для предсказания погоды выдвинул Галилео Галилей, а его ученики, Эванджелисто Торричелли и Винченцо Вивиани, реализовали ее. В 1643 году появился первый ртутный барометр и известная всем мера измерения — миллиметры ртутного столба. 

С этого момента по давлению в конкретной точке можно было гораздо точнее предсказать, какая будет погода — солнечная (повышение давления) или дождливая (понижение давление). Несмотря на то, что с помощью барометра отслеживали только моментальное значение давления, а для точности прогноза необходимо знать тенденцию его изменения, это был первый научный способ прогнозирования, где применялись законы физики. Научный прогресс и развитие технологий превратили первых энтузиастов в исследователей, которые стали создавать общества метеорологов. 

Уже к концу XIX века метеорологи поняли, что для составления точных прогнозов должна применяться математическая модель. Пионером в этой области стал американский метеоролог Кливленд Эббе. Его первые работы относятся к 1873 году, а в 1901 году он впервые привлек математику для решения задачи прогнозирования погоды. По сути, Эббе предложил использовать модели для прогнозирования погоды с помощью законов гидродинамики и термодинамики.  

Сразу после, а именно в 1904 году, была опубликована работа норвежского метеоролога Вильгельма Бьеркнеса, в которой он предложил разделить процесс прогнозирования погоды на два шага — диагностирование текущего состояния и прогноз на интервал времени. 

Также Бьеркнес стал первым, кто выделил 7 основных переменных, описывающих состояние атмосферы: давление, температура, плотность, влажность и два компонента скорости воздушных потоков. Он же разработал и первую систему уравнений, решение которой дает прогноз погоды. 

Действительным новатором и вдохновителем всех последующих поколений метеорологов стал Льюис Фрай Ричардсон, который в 1922 году первый применил численные методы для интегрирования системы уравнений Беркенса. 

Расчет Ричардсона дал абсурдный результат — изменение атмосферного давления над Мюнхеном по прогнозу составило бы 14.5 кПа за 6 часов (это аномальный рост, которого не произошло). Однако ошибка была не в уравнении, а в некорректных условиях. Эксперимент повторили спустя десятилетия, применив более точные данные, и он оказался удачным. Таким образом Ридчарсон стал первым метеорологом, который успешно использовал математическую модель прогнозирования.

Первые метеорологические наблюдения в России начались еще в 1725 году. 

В 1834 году была издана резолюция императора Николая I об организации сети регулярных метеорологических и магнитных наблюдении в России. А в 1837 году стали выходить брошюры с прогнозами погоды на французском языке, которые выпускались под руководством академика Адольфа Купфера. К этому времени наблюдения уже проводились в различных частях нашей страны, но технологическая система и руководство всеми наблюдениями по единым методикам и программам появились впервые. 

В 1849 году была учреждена Главная физическая обсерватория. Первый прогноз погоды, опубликованный ею большим тиражом, вышел в «Ежедневном метеорологическом бюллетене» в январе 1872 года. Этот прогноз составили на основании наблюдений, которые были получены с 28 станций слежения (26 на территории Российской империи и 2 зарубежные станции).

Современная метеорологическая служба в России была создана 21 июня 1921 года, а 1 января 1930 года в Москве было образовано Центральное бюро погоды СССР. В том же году в Ленинграде впервые в мире был запущен метеорологический зонд, который поднялся на высоту около 8 км, измерил температуру воздуха и отправил на землю радиосигнал. 

Тогда ученые получили технологию, которая позволила снимать показания достаточно высокой точности на большой высоте. С тех пор для составления прогнозов, которые включают в себя показатели давления, температуры, осадков и направления ветра, используются карты, с погодными параметрами, полученными на разной высоте. С некоторыми изменениями эта технология используется по сей день.  

Первый метеорологический спутник «ТИРОС-1» был запущен в США в 1960 году. В Советском Союзе для метеонаблюдений спутник впервые был использован в 1967 году. «Космос-144» стал прародителем серии спутников «Метеор», которые сегодня используются на орбите. С помощью спутникового зондирования у метеорологов появилась возможность следить за облачностью, что позволяет уточнять карты и расположение на них циклонов и антициклонов. В 1978 году эту информацию стали использовать для визуализации прогнозов погоды в теленовостях. 

Среди десятков метеорологических спутников на орбите есть два российских: Арктика-М и Электро-Л. Это позволяет накапливать большой объем данных и строить метеорологические модели. Поскольку речь идет о терабайтах данных, работать с таким объемом информации вручную метеорологи не в состоянии. Для анализа и прогнозирования стали использоваться суперкомпьютеры, которые способны работать с глобальными моделями прогноза погоды. Эти модели разбивают атмосферу Земли на кубики, в каждом из которых решается уравнение со своими вводными. 

За последние полтора века, начиная с первых попыток использования математических моделей и до применения спутников и зондов, прогнозы стали намного точнее. Рост точности прогнозов в нашей стране был связан с восстановлением сети метеостанций в послевоенное время и введением численных прогнозов в 60-е годы.

Но с высокой долей вероятности узнать погоду на ближайшие выходные было невозможно еще несколько десятков лет назад. Сегодня получить достаточно точный прогноз можно с помощью сайтов и мобильных приложений, которые рассказывают о погоде как на ближайший час, так и на месяц вперед. 

В этом помогли спутниковое зондирование атмосферы, более быстрые и мощные компьютеры и прогресс в пониманием физики и динамики атмосферы, поэтому сегодня прогноз погоды на неделю стал гораздо точнее, чем прогноз погоды на завтра несколько десятилетий назад. 

Как уже было сказано, улучшение прогнозирования зависит от увеличения точности данных и их количества. Однако тут существует ряд препятствий. Ставить станции в труднодоступных районах тяжело, а увеличивать охват за счет роста их количества дорого. Но даже при таком подходе результат прогнозирования не будет 100% точным. 

Какие же измерения можно добавить, чтобы решить эту задачу? Например, сообщения о погоде за окном пользователей погодных сервисов. 

Яндекс сначала предложил любому человеку отмечать на карте зонтиками места, где сейчас идёт дождь, а затем внедрил Meteum 2.0 — новую технологию прогноза погоды на основе машинного обучения. Её алгоритмы единственные в мире обучаются не только на данных приборов и метеостанций, но и на сообщениях от пользователей. 

Каждый день пользователи присылают в Яндекс.Погоду больше миллиона сообщений об осадках, а в отдельные дождливые дни — и до трех миллионов. Для сравнения, метеостанции присылают около 8 тысяч наблюдений в день. Эти данные помогли улучшить краткосрочный прогноз осадков по всей стране, а особенно на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке, где метеорологических радаров крайне мало. 

Meteum 2.0 учитывает прогнозы пяти различных моделей прогноза погоды, одна из которых своя собственная. К ним добавляются также спутниковые снимки и радарные измерения. Информация обрабатывается и комбинируется с помощью модели машинного обучения на базе CatBoost и нейронных сетей. Она позволяет учитывать не только скорость ветра, температуру воздуха и другие погодные параметры, но и дополнительные факторы — например, удалённость от водоёма или высоту солнца над горизонтом.

Такая модель обучена предсказывать и сообщения пользователей о погоде. Например, пользователь может предоставить приложению возможность собирать данные со своего устройства или сообщать о реальной погоде в настоящее время, что делает будущие прогнозы еще точнее. Такой прогноз уже работает для дождя и напрямую влияет на карту осадков. Кроме того, компания использует сообщения с высоким кредитом доверия для корректировки ошибочной карты осадков в реальном времени. То есть, пользователь, который уже попал под дождь, становится достоверным источником. Ему такая информация уже вряд ли поможет, но будет полезной для жителей соседних районов. В итоге краткосрочный прогноз осадков стал на 20% точнее.

В дальнейшем синергия машинного обучения, больших данных и пользовательского опыта позволит повысить качество прогнозов погоды, а также увеличить точность долгосрочных прогнозов. Ведь еще совсем недавно казалось невероятным сделать точный прогноз на несколько дней, а сегодня каждый человек может сам поучаствовать в составлении прогноза и сделать его точнее.