Кажется, дождь собирается: эксперты ПНИПУ рассказали, как создается прогноз погоды

Наталья Летунова. Не разбрызган

По данным сервиса Гисметео, на большей части территории России ожидаются дожди. Эксперты Пермского политехнического университета рассказали о том, как долго делаются прогнозы погоды в нашей стране, от чего зависит их точность, насколько достоверны данные о погоде на три месяца вперед и что «-15°С ощущается как -21°С» означает: как интерпретировать фразу «67 процентов осадков», что вызывает ураганы и как ученые работают над повышением точности прогнозов.

Прогноз погоды сейчас и столетия назад

По данным ВЦИОМ, более половины россиян (54%) регулярно проверяют прогноз погоды и доверяют ему, при этом две трети респондентов (67%) заявляют, что данные метеослужб подтверждаются на практике.

Научное прогнозирование погоды начало формироваться в 1643 году с изобретением ртутного барометра Евангелисто Торричелли и Винченцо Вивиани, двумя учениками Галилео Галилея. Тогда же появилась единица измерения – миллиметры ртутного столба. В России регулярные наблюдения за погодой начались в 1834 г., когда император Николай I издал постановление об организации сети метеорологических и магнитных наблюдений.

— Люди пытались предсказать погоду с древних времен, когда еще не было письменности. Сегодняшние сложные инструменты, технологии и накопленные знания заменили ежедневные наблюдения, приметы и суеверия. Все это отражено в фольклоре: вороны собираются в стаи, а если погода плохая, белки строят невысокие гнезда и зимой замерзают. В древности за предсказания отвечали волшебники и старейшины. Позже монашеское духовенство попыталось сформировать его, записывая погодные явления. Сравнивали данные нескольких лет и искали взаимосвязи, но точность таких прогнозов невысока, рассказал доцент кафедры социологии и политологии ПНИПУ Константин Антипьев.

На основе чего моделируют погоду сейчас?

Росгидромет и его различные подразделения являются ведущей организацией по прогнозированию погоды в России. Они используют отечественные и зарубежные ресурсы и технологии, включая спутниковые данные, радиозонды и численные модели. Все это позволяет создавать краткосрочные и долгосрочные прогнозы, важные для авиации, сельского хозяйства, строительства и гражданской безопасности.

— Численные модели используют сложные математические уравнения для моделирования поведения глобальной атмосферы. Они позволяют метеорологам анализировать и прогнозировать погодные условия на основе данных, собранных из различных источников: метеостанций, спутников, детекторов, морских буев и т д. Модель включает информацию о температуре воздуха, осадках, атмосферном давлении, влажности, солнечной активности и многом другом. Эксперт ПНИПУ Максим Симакин отметил, что, используя текущие данные о погоде, синоптики могут прогнозировать изменения погоды на определенное время вперед: от нескольких часов (краткосрочный прогноз) до дней и даже недель (средне- и долгосрочный прогноз). В области метеорологии член Русского географического общества.

Космические элементы — как работают спутники и радиозонды?

— Космические аппараты на околоземной орбите предоставляют данные о погодных условиях, таких как облачность, температура поверхности, влажность и ветер, а также о состоянии снежного и ледяного покрова. Максим Симакин поясняет, что эта информация используется для мониторинга атмосферы в глобальном масштабе и лежит в основе многих прогнозов.

Метеорологи используют спутниковую информацию для анализа облачных систем, составления карт следов ураганов и тропических циклонов, изучения условий на поверхности Земли, наличия лесных пожаров и многих других примеров. Некоторые спутники недоступны обычным пользователям, однако подключиться к большинству ресурсов может любой желающий. Например, в приложении Windy можно просмотреть карты ледовой обстановки или изображения облаков Арктического региона.

Метеозонды, также известные как радиозонды, используются для измерения параметров атмосферы на разных высотах. Устройства запускаются с помощью специальных гелиевых шаров, которые поднимают их в атмосферу. Устройство оснащено датчиками для определения температуры, давления и влажности. Данные от них достигают земли в режиме реального времени. Современные радиозонды могут включать GPS для определения положения и высоты. Такое оборудование играет ключевую роль в метеорологии, предоставляя данные об атмосферных условиях на больших высотах, недоступные с наземных станций. Эта информация необходима для создания и корректировки численных моделей погоды. В отличие от спутников, эти устройства фиксируют погодные условия в конкретной точке.

Гелиевый шар взорвался из-за перепада давления на высоте около 30 километров, и детектор упал на землю. Обычно они оснащены парашютами, чтобы замедлить падение и таким образом избежать повреждений, а затем зонд снова запускается.

Какая на самом деле точность прогнозов погоды?

Специфика и надежность прогнозов погоды зависят от оборудования исследователей, точности численных моделей прогноза погоды и качества входных данных — плотности метеостанций, океанских буев, дорожных камер и других инструментов, «прикрывающих» область прогноза. Например, показать состояние атмосферы и поверхности Земли. Разрешение модели также важно – оно определяет, насколько подробными являются прогнозы для конкретной области. Хотя модели улучшились, они все еще могут содержать ошибки из-за упрощения и аппроксимации физических уравнений. Поэтому в целом, и особенно в горных районах, ни одна модель не может на 100% гарантировать, что прогнозы будут верными.

Существуют также естественные ограничения. Атмосфера – сложная и динамичная система. Несмотря на технологические достижения, точность, связанная с хаотичной воздушной оболочкой нашей планеты, по-прежнему ограничена. Особенно долгосрочные прогнозы.

Наиболее точные прогнозы часто получаются на основе сочетания данных из разных источников и моделей с учетом различных аспектов атмосферных процессов. Чем сильнее корреляция между различными моделями, тем выше вероятность того, что прогнозы обоснованы.

В течение следующих нескольких дней прогнозы погоды могут быть точными на 90%, но после первой недели эта точность резко падает, поскольку даже небольшие изменения в атмосфере могут вызвать значительные изменения погоды.

Почему прогнозы погоды могут меняться за короткий промежуток времени?

— Для прогнозирования характерен «эффект бабочки», когда небольшие ошибки в исходной информации могут сильно повлиять на весь прогноз погоды. Даже самые современные методы измерения не могут уловить все нюансы атмосферы. Максим Симакин поясняет, что это особенно важно для точных краткосрочных прогнозов.

Компьютерные модели основаны на математических уравнениях, моделирующих физические процессы в атмосфере. Однако они имеют ограничения по разрешению и точности. Некоторые мелкомасштабные процессы, такие как образование облаков или местные ветры, трудно предсказать. Грозовые фронты, тропические циклоны или проливные дожди могут быстро развиваться и меняться.

Все прогнозы требуют не только точных данных и моделей, но и правильных интерпретаций. В таких областях, как энергетика, авиация, промышленность и т д., прогнозы погоды делаются людьми, хотя и на основе данных, полученных с помощью инструментов и моделей, обрабатывающих эти данные. Иногда метеорологи меняют прогнозы на основе новых данных или модификаций предыдущих данных, в результате чего меняются целые погодные условия.

На какой максимально длинный период можно предсказать погоду?

Самыми длительными периодами прогнозов являются сезонные прогнозы (один месяц и более). Они могут только дать вероятность возникновения определенных погодных условий. Долгосрочные прогнозы часто основаны на климатических моделях и тенденциях, таких как глобальные закономерности атмосферы и океана. Они гораздо менее точны и предсказывают общие тенденции, такие как засушливое лето или холодная зима.

Температура реальная и ощущаемая — в чем разница?

Измерьте температуру воздуха с помощью термометра, обычно на высоте около двух метров над землей. Например, понимание поверхности Земли и показателей воды с помощью инфракрасного или контактного оборудования, требующего контакта с почвой. Это необходимо для расчета риска испарения, гроз и других изменений. В авиации эти температурные показатели используются для определения зон турбулентности.

— Известно, что если на улице минус 15 градусов и дует резкий северный ветер, люди замерзнут быстрее, чем в ясный день. Это определяется специальным параметром – индексом охлаждения ветром. Он указывает на воздействие на человека температуры воздуха с учетом скорости и направления ветра. — объясняет Максим Симакин.

Расчет производится по специальной формуле, выведенной во время второй антарктической экспедиции 1911-1912 годов. Зимой ученые провели серию исследований: наполнили водой две емкости, разместили их на открытом воздухе, защищенном от ветра, и засекли время, пока вода не замерзнет. В ходе эксперимента также измерялись температура воздуха и скорость ветра. По разнице времени замерзания жидкости определить фактическую температуру воздуха и «ощущаемую» температуру воздуха, указанную в прогнозе. Сейчас в Интернете можно найти специальные таблицы, в которых эти значения связаны со скоростью ветра.

Обратите внимание: Прогноз магнитных бурь 11-22 сентября.

Например, если температура -15°C и скорость ветра 3 метра в секунду, люди почувствуют, что температура наружного воздуха -21°C.

Как на погоду влияет атмосферное давление?

Атмосферное давление – это давление воздуха на поверхности Земли. Он производится весом столба воздуха от поверхности планеты до верхних слоев атмосферы. Оно становится первопричиной ветра, который дует из областей высокого давления в области низкого давления. Ветер приносит теплый или холодный воздух, влагу и облака.

атмосферное давление измеряется в гектопаскалях (гПа) или миллиметрах ртутного столба (мм рт ст.). Это определяется барометром. В устройстве используется стеклянная трубка, наполненная ртутью, которая помещается в резервуар с жидким металлом. Атмосферное давление действует на поверхность материала в резервуаре, заставляя его подниматься в трубке. Высота столба пропорциональна атмосферному давлению. Также имеется барометр-анероид. Используют металлические боксы (без жидкости), в которых частично удален воздух. Изменения атмосферного давления заставляют коробку сжиматься или расширяться. Эти изменения механически передаются на стрелку, которая перемещается по шкале. Этот тип барометра более компактен, его легче носить с собой, его часто используют на метеостанциях и в самолетах.

Атмосферный фронт — это переходная зона между двумя воздушными массами с разными характеристиками. Для него характерны резкие изменения метеорологических параметров: температуры, влажности, давления воздуха, облачности и осадков. К фронтам относятся: теплые фронты, холодные фронты (в месте возникновения воздушных масс) и блокирующие фронты — границы столкновения теплых и холодных областей.

Ветер перемен

Скорость ветра определяется анемометром. Простейшее устройство чашки основано на определенной горизонтальной оси и прикрепленной к ней чашке. Ветер раскручивает их с разной силой, а удар преобразуется в электрические сигналы, которые подаются на стрелы. Он представляет скорость воздушного потока. Направление ветра фиксируется флюгером. На крыше установлены различные статуи животных со стрелами, а также устройство, позволяющее узнать, откуда дует ветер. Такое приспособление можно сделать самостоятельно: нужна стрела, подшипник или вал, способные свободно вращаться, и груз – его нужно закрепить на другом конце стрелы.

На каждый вид осадков – свой прибор измерения

Дождемеры помогают определить количество осадков. Например, дождемер Третьякова является стандартным прибором для измерения количества осадков. Это цилиндрический контейнер, используемый для сбора осадков, размер которых затем измеряется в миллиметрах.

Снегомеры используются для измерения глубины снега. Это может быть простой погонный счетчик (снежомер) или более сложное устройство, например ультразвуковой датчик. Лазерные датчики необходимы для точного измерения различных видов осадков – дождя, снега и града. Гравиметрические осадкомеры могут измерять жидкие и твердые осадки по весу. Доплеровский радар фиксирует интенсивность осадков, анализируя сигнал, возвращаемый каплями дождя или снежинками. Эти данные часто используются для создания карт осадков в реальном времени.

«Осадки 67%» — что это значит?

— В метеорологии существует два метода интерпретации осадков. Если прогноз дан для этого региона, то это означает, что пространственное распределение - т.е. 67% (можно подставить любое число исходя из прогноза) региона окажется под осадками. Максим Симакин сообщает, что если прогноз погоды показан для вашего географического положения, то чаще всего показывают вероятность осадков в этот период времени - 67%, так как вы промокнете.

Что внутри у прибора, измеряющего влажность?

Психрометр состоит из двух термометров: один измеряет температуру воздуха, другой — температуру влажной ткани. Разница показаний помогает рассчитать относительную влажность. Также используйте гигрометр. Механические — изготовлены из специальных материалов, например синтетических волокон, длина которых меняется в зависимости от влажности. Электронная технология основана на изменении электрических свойств полимеров или солей при изменении уровня влажности, а конденсационная технология определяет температуру, при которой капли воды в воздухе превращаются в росу.

Океаны питают ураганы, но как?

Ураган – это сильная и продолжительная воронка ветра. Он образуется в теплых океанских водах вследствие ряда факторов. Во-первых, температура поверхности океана должна быть не ниже 26,5°C. Это тепло обеспечивает энергию, необходимую для создания и поддержания вертикального движения мощного воздушного потока. Во-вторых, вода в океане должна испаряться и подниматься вверх, образуя облака и осадки. Влага конденсируется и выделяет тепло, увеличивая поток воздуха. В-третьих, ураганам необходим небольшой вертикальный сдвиг ветра, чтобы предотвратить обрушение вертикальных структур урагана.

«Такие мощные ветры могут преодолевать значительные расстояния, но когда ураган движется над сушей, он теряет силу, потому что теряет источник влаги и энергии — теплая океанская вода». Расстояние больше всего зависит от его начальной силы и скорости. Максим Симакин поясняет, что обычно он значительно ослабевает в пределах нескольких сотен километров от берега, но может сохранять свою структуру и вызывать последствия на протяжении тысяч километров, особенно когда их путь проходит через водоем или влажную территорию, являющуюся источником воды.

Ультрафиолетовое излучение – чем определяют эффект солнца?

УФ-индекс рассматривается с начала 1990-х годов. Он был разработан для информирования общественности о рисках, связанных с вредным воздействием солнца на кожу и глаза людей. УФ-лучи измеряются пирометрами или специальными радиометрами, регистрирующими интенсивность солнечного излучения. Приемник в устройстве собирает световой луч. Когда они попадают на датчик, они вызывают изменения его температуры или электрических свойств.

— Солнечные бури выбрасывают большое количество заряженных частиц и радиации, которые изменяют свойства ионосферы (слоя атмосферы на высоте от 60 до 1000 километров над уровнем моря). Эти изменения могут вызвать проблемы с радиосвязью, GPS-навигацией и другими системами, использующими ионосферу для передачи сигналов. Солнечные бури также нагревают верхние слои атмосферы, заставляя ее расширяться. Именно это увеличивает плотность атмосферы на высоте полета спутника, что приводит к дополнительному лобовому сопротивлению, уменьшению орбиты и сбоям в работе, добавил Максим Симакин.

Если лето было жарким, значит — зима будет морозной. Правда ли это?

——Утверждение, что «жаркое лето предвещает холодную зиму», не имеет научного обоснования. Современные исследования показывают, что значимой корреляции между летними и зимними температурами нет, что позволяет с уверенностью прогнозировать зимние условия на основе летней погоды, — говорит Максим Симакин.

Совершенствуется ли прогноз погоды?

Эксперты ПНИПУ отмечают, что за последние 5-10 лет процесс прогнозирования погоды претерпел существенные изменения и усовершенствования благодаря многочисленным технологическим и научным достижениям. Современные модели стали более сложными и точными благодаря улучшенному физическому представлению атмосферы, увеличению разрешения модели и более мощным вычислительным ресурсам. Машинное обучение и искусственный интеллект уже используются для улучшения прогнозов погоды, и их роль будет только возрастать. Также можно добавить использование дронов для сбора данных в труднодоступных районах и на больших высотах.

Наука Погода Прогноз погоды Дождь Ураган Спутниковое обнаружение Длинный пост 2

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Кажется, дождь собирается: эксперты ПНИПУ рассказали, как создается прогноз погоды.