Изобретатель - природа - Изот Литинецкий

Модель невозможно сделать абсолютно адекватной природе. В ней существуют различного рода аппроксимации (приближения) и параметризации, которые вносят в результаты расчетов "шум" и ошибки. "Компьютерные глобальные модели - это пока своего рода искусство, поскольку нам никогда не удается достичь того уровня, на котором происходят физические процессы", - говорит директор Европейского метеорологического центра Леннарт Бенгтссон. Начальная информация также содержит "шум", связанный с неполнотой данных наблюдений, их плотностью и точностью измерений. Таким образом, ошибки, содержащиеся в начальной информации и в самой модели, а также создаваемые ЭВМ за счет округлений при вычислениях, в процессе работы модели (во время прогноза) порождают новые ошибки, "шум". Этот "шум" из-за нелинейности уравнений модели со временем растет и через определенный момент времени (примерно через неделю) оказывается доминирующим над полезной информацией. Такое свойство модели породило отмеченный нами выше так называемый теоретический предел предсказуемости погоды не более чем на 7-10 дней.

Обычно в подобной метеорологии - области науки - принято проводить эксперименты. Но как можно экспериментировать с погодой? В каком-то узком масштабе это возможно, но, безусловно, не в мировом. А для того чтобы понять и использовать для долгосрочного прогноза закономерности атмосферы как единой целостной физической системы, метеорология нуждается прежде всего во всеобъемлющей, глобальной информации о многообразных процессах, происходящих в воздушном океане и подстилающее поверхности. При отсутствии точных данных о поведенш атмосферы на всем земном шаре в течение определенной периода времени, хотя бы в течение года, нельзя, невозможно судить о справедливости тех или иных допущений, которые неизбежно делаются при построении теории движения атмосферы - теоретической основы прогнозов погоды. Хорошо осознавая это, метеорологи давно вынашивали идею создания глобальной системы наблюдений, которая позволила бы выявить те физические процессы, которые определяют формирование крупных аномалий погоды на долгий срок. Реализация этой идеи стала возможной с появлением спутников и накопленным в СССР и США в 60-е и 70-е годы опытом эксплуатации метеорологических космических систем совместно с наземными системами наблюдения за атмосферой.

11 лет длилась под эгидой Всемирной метеорологической организации и Международного совета научных союзов подготовка грандиозного международного мероприятия - Первого глобального эксперимента Программы исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). В нем приняли участие более 50 государств, в том числе и Советский Союз.

Временная глобальная наблюдательная система начала функционировать 1 декабря 1978 года и завершила работу 1 декабря 1979 года. Основой системы являлась традиционная сеть наблюдений Всемирной службы погоды: свыше 2500 синоптических станций (из них в СССР - более 500), ведущих наблюдения за погодой у земли, свыше 700 аэрологических станций (из них в СССР - более 200), зондирующих атмосферу до высоты 30-40 километров, и система полярно-орбитальных метеорологических спутников СССР и США, фотографирующих облачный покров в видимом и инфракрасном диапазонах спектра излучения (некоторые из этих спутников выполняют также дистанционное зондирование атмосферы - фиксируют распределение температуры в атмосфере по высоте в подспутниковом районе). В дополнение, к этой постоянно действующей сети наблюдений были созданы временные наблюдательные системы. Над экватором на высоту 35 800 километров было выведено 5 геостационарных спутников, расположенных примерно на равных расстояниях друг от друга. Обработка последовательных фотографий облаков с этих спутников позволяла определять скорость и направление ветра на нескольких высотах в атмосфере в широтном поясе между 50 градусами с. ш. и 50 градусами ю. ш.

В океанах Южного полушария, а также в Арктике было расставлено более 360 дрейфующих буев, из которых одновременно работало до 206. Эти буи совместно с двумя полярно-орбитальными спутниками образовывали систему для измерения температуры воды и давления на поверхности океана, профиля температуры в атмосфере, а также скорости и направления течений в океане. В экваториальной зоне около 40 научно-исследовательских судов вели наблюдения за ветром и другими метеорологическими и океанографическими величинами. Несколько десятков специально оборудованных пассажирских самолетов измеряли скорость и направление ветра и температуру воздуха по маршруту полета и автоматически передавали эти данные в специальные центры сбора. Были организованы и другие системы наблюдений.

Весь огромный поток метеоинформации практически собирался без потерь благодаря специально созданному плану управления данными. В основном он опирался на метеорологическую глобальную систему телесвязи, но в дополнение к традиционной системе сбора, обработки и распространения гидрометеорологической информации был организован ряд дополнительных центров, которые отвечали за обработку информации, поступающей от специальных наблюдательных средств.

Хотя обработка всей собранной информации еще продолжается и результаты первого глобального эксперимента будут окончательно оценены, вероятно, через несколько лет, уже сейчас можно сказать, что получены важные результаты, в ряде случаев меняющие представления метеорологов о глобальных атмосферных процессах.

До проведения первого глобального эксперимента было общепринято мнение о сравнительно малой изменчивости метеорологических величин в тропической зоне. Считалось также, что в экспериментальном поясе меридиональные движения воздуха малы и поэтому обмен воздушными массами между полушариями не велик, и, следовательно, при математическом моделировании атмосферных движений каждое полушарие можно рассматривать независимо - движения проходят так, как если бы на экваторе существовала стенка, препятствующая доступу воздушных масс из одного полушария в другое. Конечно, это была некоторая идеализация, но считалось, что она близка к действительности из-за малости меридиональных движений. Наблюдения первого глобального эксперимента показали, что воздушные течения в верхней половине тропической атмосферы обладают очень большой изменчивостью, здесь происходит интенсивный обмен воздушными массами через экватор, особенно во время зимы Северного полушария. А это значит, что происходит также интенсивный обмен теплом и влагой. Проведенные численные эксперименты по моделированию атмосферных движений в Северном полушарии совершенно определенно показали, что сходство рассчитанных движений с действительностью существенно ухудшается, если исключить наблюдения Южного полушария, то есть поставить на экваторе стенку. Результаты этих экспериментов с несомненностью свидетельствуют, что численный прогноз погоды по дням на сроки до 10 суток возможен только при условии, если мы будем опираться на глобальные наблюдения за атмосферой.

Впервые за всю историю метеорологии были получены достаточно подробные данные о распределении давления на уровне моря и в свободной атмосфере над океанами Южного полушария в течение годаь, Их анализ позволил установить, что глубокие области низкого давления образуются в умеренных широтах Южного полушария, гораздо севернее Антарктиды. Их смещение позволяет объяснить ранее непонятные внезапные и резкие изменения давления, наблюдавшиеся на некоторых островных станциях Южного полушария. В целом атмосферные движения в умеренных широтах Южного полушария (40-60 градусов ю. ш.) являются более интенсивными, чем предполагалось ранее. Так что "ревущие сороковые" есть следствие этой интенсивной циркуляции атмосферы Южного полушария.

С несомненностью установлено, что атмосферные процессы, происходящие в тропических широтах, влияют на процессы в умеренных и высоких широтах значительно быстрее и значительно более существенно, чем предполагалось ранее. Их влияние обнаруживается уже в пределах 4-5 дней. Это значит, что качество прогнозов на 3-5 дней существенно зависит от наблюдательной системы в тропических широтах, которая в настоящее время требует серьезного улучшения на основе последних достижений науки и техники.

В целом первый глобальный эксперимент убедительно показал, что, если человечество хочет более точно прогнозировать погоду по дням на сроки от 3 до 10 суток, а также месячные и сезонные аномалии погоды, включая засухи и дождливые периоды, ему придется снова построить глобальную систему наблюдений, но теперь уже не временную, а постоянную. Сделать это не так уж трудно, если обратить часть средств, затрачиваемых сейчас во всем мире на вооружение, на построение глобальной системы наблюдений за состоянием атмосферы и океана.