Чисельні методи прогнозу погоди

Розв’язувані при прогнозі погоди рівняння відносяться до найбільш складним в гідродинаміці. В комплекс прогностичних рівнянь входять рівняння, що описують закони збереження маси, енергії і кількості руху, тобто рівняння нерозривності, рівняння руху, рівняння збереження енергії. Для повного опису реальної атмосфери тут бракує обліку зволоженості, запиленості, турбулентності та ін. При рішенні системи рівнянь доводиться вдаватися до спрощень. Зокрема, рівняння притоку тепла не враховують приплив тепла ззовні, а обмежуються припущенням, що в короткі відрізки часу процеси розвиваються за адіабатичному законом і т. п.

Для кожного конкретного прогнозу записується система рівнянь, причому виробляються деякі спрощення стосовно до поставленої задачі. У рівняннях залишаються тільки головні члени, а другорядні з розгляду виключаються. Рішенням рівнянь знаходяться такі невідомі, як майбутні значення полів тиску, температури, швидкості вітру. Для цього задається початковий стан атмосфери, тобто поля тих же елементів (тиску, температури, швидкості).

Рішення системи прогностичних рівнянь до появи обчислювальної техніки практично було неможливо через неймовірно великої кількості обчислень. Наприклад, для прогнозу погоди на найближчу добу була б потрібна робота декількох тисяч обчислювачів протягом доби.

Зародження сучасних принципів чисельного методу прогнозу погоди можна віднести до початку 20-х років. У 1922 р. англійським математиком П, Річардсоном була зроблена перша спроба розрахунку зміни атмосферного тиску за шестигодинний період. Ідея полягала в застосуванні астрономічних методів розрахунку до метеорології, хоча було очевидно, що астрономії притаманні прості механічні залежності, а метеорології — законів динаміки і термодинаміки. І не дивно, що розрахований з великими труднощами приклад виявився невдалим. Але прийнятий принцип розрахунку зміни поля тиску по кроках, тобто послідовно через малі проміжки часу, ліг в основу сучасних чисельних методів прогнозу погоди.

Сенс розрахунку по кроках полягає в наступному. Необхідно, наприклад, розрахувати поле тиску на 24 години вперед. Для цього є дані про вихідному поле тиску і про баричной тенденції, тобто про зміни тиску в різних частинах взятого поля за останні 3 години. Якщо, виходячи з величини тенденції, розрахувати майбутнє поле тиску відразу на 24 години, то можна зробити грубі помилки, так як зміна поля тиску протікає не з постійною швидкістю. Тому проміжок 24 години розбивається на малі відрізки часу (наприклад, за 2 години) і послідовно проводиться розрахунок очікуваного поля тиску спочатку на перші 2 години; потім з отриманої прогностичної карті тиску розрахунок ведеться на наступні 2 години і т. д. В результаті на останній прогностичної карті тиску (після 12 предвычисленных проміжних карт) виявляються врахованими всі можливі зміни барического поля. Хоча ці зміни враховуються з наближенням, все ж при розрахунку проміжних карт виключаються грубі помилки.

Застосовуються в даний час швидкодіючі електронні обчислювальні машини виробляють мільйони необхідних арифметичних дій за кілька хвилин. Але до 50-х років метеорологи не володіли такими машинами, а отже, і мріяти не могли про таке неймовірно великому обсязі обчислень.

Після невдачі Річардсона було мало спроб розрахунку поля тиску з добової завчасністю. Перша спроба розв’язання задачі чисельного прогнозу полів тиску і температури була зроблена у Головної геофізичної обсерваторії в 1940 р. Тут І. А. Кибель обрав шлях спрощеного рішення рівнянь гідродинаміки без застосування послідовних (по кроках) обчислень. Основний недолік так званого першого наближення цієї теорії полягав у тому, що вихідні поля тиску і температури переносилися по середньому потоку на 12 або 24 години без урахування їх еволюції. При цьому розрахунки велися тільки ручним способом.

У подальшому В різних країнах були зроблені спроби більш повного розв’язання рівнянь гідродинаміки, з урахуванням впливу відхилення від вітру геострофического. Інакше кажучи, сучасні чисельні методи прогнозу поля атмосферного тиску ґрунтуються на інших засадах.

В кінці 50-х і на початку 60-х років успіхи чисельних методів прогнозу поступово стали відчутні. Швидкодіючі електронні обчислювальні машини протягом декількох хвилин дозволяють побудувати прогностичні карти баричной топографії для ряду поверхонь і тим самим за вихідними даними дають можливість визначити майбутнє становище циклону і антициклону, напрямок і швидкість вітру на різних висотах. Обчислюється і поле тиску біля поверхні землі. Крім того, обчислюються карти вертикальних струмів повітря, що дозволяють визначити райони формування хмарності і можливих опадів.

Отримані результати показали, що за останні 3-4 року обчислені за допомогою машин карти баричной топографії не тільки не поступаються тим, які до цього складалися синоптиками, але і кілька перевершують їх по точності. Однак прогноз багатьох елементів погоди ще не настільки розроблений, щоб використовувати електронну обчислювальну техніку. Крім того, для нових завдань і самі машини повинні мати велику пам’ять і здійснювати більшу кількість операцій в секунду, ніж нині існуючі. Чисельні методи прогнозу погоди продовжують успішно розвиватися. Минуло всього 10-15 років, як електронні обчислювальні машини стали використовуватися для цілей прогнозу погоди, але за цей невеликий проміжок часу чисельні методи міцно утвердилися як у нашій країні, так і в інших країнах (США, Швеція, Японія, Англія та ін).

Успіхи чисельних методів прогнозу стали помітним підмогою, полегшили певною мірою працю синоптика. Вони суттєво допомагають синоптика, показуючи загальну картину очікуваної зміни поля тиску на найближчу добу.

Автоматизація роботи служби погоди. Одночасно з розвитком чисельних методів прогнозу погоди робляться практичні кроки і цікаві дослідження до автоматизації роботи всієї метеорологічної служби. Ідея полягає в тому, щоб всі операції, починаючи від метеорологічних і аерологічних спостережень і кінчаючи предвычислением погоди, були б автоматизовані. Інакше кажучи, повинні бути автоматизовані спостереження, складання і передачі телеграм в Головний радиометеорологический центр, введення даних в машини, наноска карт, предвычисление карт різних метеорологічних елементів і погоди.

Як вже говорилося, в республіках Радянського Союзу та багатьох обласних центрах існують бюро погоди та гидрометбюро, де по радіо і телеграфу кілька разів в день приймаються метеорологічні зведення — інформації. Потім вручну складається серія приземних і висотних карт погоди, проводиться їх аналіз і дається прогноз погоди по республіці.

Зараз робляться кроки до раціоналізації всієї цієї роботи, яка організована наступним чином. Метеорологічна інформація надходить у Головний радиометеорологический центр (Москва), де дані спостережень обробляються, наносяться відповідно на приземні і висотні карти погоди і піддаються синоптическому аналізу. Потім готові карти по факсимільного зв’язку передаються в республіканські та обласні бюро погоди, де вони служать основою для складання прогнозів погоди свого району. Ця робота вже розпочата, і раціоналізація поступово здійснюється.

Раціоналізація роботи Служби погоди дозволить краще використати і результати чисельних методів прогнозів, так як за факсимільного зв’язку будуть передаватися прогностичні карти баричной топографії, а також карти інших метеорологічних елементів.

Посилання на основну публікацію