Как рождаются прогнозы погоды

Прогнозы погоды рождаются точно не в модных приложениях или красочных сайтах, но в компьютерах метеобюро разных стран мира, которые обсчитывают разные модели движения атмосферы, которые перед этим создаются неформальной международной каолицией ученых стран. Для расчетов прогнозов погоды компьютерам нужны не только модели, но и данные, которые собираются по всему миру в рамках международной кооперации под руководством WMO ООН. А вот результаты этих расчетов уже передаются по специализированным каналам связи (для моряков, включая яхтсменов, это VHF, MF/HF, NAVTEX, Inmarsat) и отображаются различными приложениями и сайтами в разных форматах.

Данные между различными метеобюро передаются в формате GRIB (General Regularly-distributed Information in Binary form) непригодном для отображения, а задача сайтов и приложений ее отобразить в “красивом” виде. Иногда, по сложившейся традиции GRIB-ом также называют Wind chart (ветровую карту, или карту потоков).

Модели

К сожалению, божий проект создания земли до нас не дошел (либо пока не найден) и мы даже не знаем соответствие реализованного божьему промыслу (божьему проекту создания земли) ни по одному из направлений естественных наук. Поэтому обо всем приходится догадываться самим. Создание любой модели природных явлений – это очень приблизительные догадки ученых на основании собственного воображения, которые затем перекладываются на строгий язык математики, которая, порой, даже на уровне теоретических формул становится невоображаемо сложной и ее упрощают кто как может. Отсюда, у нас всегда есть много не просто моделей, но даже подходов к созданию моделей одного и того же явления природы и еще большее число расчетных моделей.

Количество прогнозных моделей в настоящее время насчитывается примерно по несколько на каждое метеобюро мира, что в сумме составляет сотни, если не тысячи. Все модели делятся на 2 основные категории: глобальные модели (охватывающие всю планету) и локальные модели, которые в свою очередь делятся на прошедшие апробацию WMO (модели касающиеся международного использования, в первую очередь это все модели, касающиеся прогнозирования погоды для авиации и мореходства) или правительством страны (для моделей прогнозов погоды внутреннего потребления), и экспериментальные (например, популярная греческая Poseidon или “Predict wind”).

Подробно об основных моделях прогнозов погоды, но достаточно лаконично для парактического понимания рекомендуем прочесть тут.

Но, какими бы разными модели не были бы, у них есть общее:

• ни одна модель не предполагает расчет прогноза погоды для точки, но для некой “ячейки” размером километры на километры, размер которых называется “разрешение” модели;
• что бы исключить ошибки системные в моделях, различия между соседними ячейками сглаживаются (более современные модели используют интелектуальные фильтры, которые определяют, что, скажем, в том месте где проходит фронт сглаживать не надо, а в других случаях резких изменений быть не может и надо сгладить);
• соответственно, все явления и георграфические неоднородности, которые мельче чем несколько “ячеек” – усредняются.

Глобальные модели

Есть одна очень специальная модель – GFS (Global Forecast System), которая весьма грубо (без учета особенностей местности, сейчас уже разрешением (“ячейкой”) вплоть до 13×13км описывает глобальное поведение атмосферы. Эта модель развивается международным сообществом более 70 лет в NOAA (US National Oceanic and Atmospheric Administration), но она открытая, всем известная, постоянно развивающаяся (в 2023 году принята 15 версия этой модели) и рассчитывающаяся каждые 3 часа.

Одна из боковых ветвей развития модели GFS является модель IFS (Integrated Forecast system), гораздо чаще называемая ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) – по имени организации ее разрабатывающей и расчитывающей. К сожалению, эта модель закрытая в рамках организации и ее алгоритмы не опубликованы.

И точность и разрешение (размер “ячейки” прогнозирования) этих моделей не высоки, но более менее одинаковые по миру, хотя очевидно, что есть места, по которым их юстируют более тщательно. В любом случае, эти модели не учитывают ни местного рельефа ни других особенностей местности. Обе эти модели абсолютно адекватны для океанов, весьма адекватны для больших морей и совсем мало адекватны для больших участков суши.

Локальные модели

Все остальные существующие модели причинно-следственных связей развития атмосферных явлений – являются уточняющими к GFS (иногда к ECMWF), которые созданы для более точного прогнозирования погоды в определенной местности с учётом особенностей этой местности (что, автоматически делает их еще менее точными для другой местности, даже, если их туда применяют).

Простейший вариант такой уточняющей модели вы можете создать сами и даже назвать ее своим именем. Например, кто-то заметил, что для места, где расположен его дом, когда GFS модель прогнозирует северный ветер сильнее 30 узлов – в действительности ветер процентов на 20 всегда сильнее, но если по прогнозу GFS ожидается ветер слабее 15 узлов – то в действительности он еще слабее на 10%, а если в прогнозе по GFS ветер ожидается западный, то в том месте его не будет вообще, потому что место хорошо прикрыто горами. Если он запишет эту простую матрицу корректировок, то у него получится местная модель имени его-самого. Конечно, местные метеобюро создают свои местные модели гораздо более громоздким способом, но суть та-же.

Очевидно, что такая локальная модель будет давать более точный результат для местности, для которой она создана и фантастически неадекватный для любой области мира.

К сожалению, порой случается так, что локальная модель так “увлекается” корректировками, что перестает соответствовать глобальной модели. В школе нас учили: проверить решение задачи двумя способами. К сожалению, современная наука игнорирует этот принцип. Так что оценка адекватности местного прогноза погоды, хотя бы на непротиворечие глобальному прогнозу, становится задачей пользователей этого местного прогноза погоды, многими из которых она в силу лени и веры “писанному” и “сказанному” так-же игнорируется, что, как правило, и приводит к печальным последствиям.

Локальные модели имеют лучшее разрешение (меньший шаг “ячейки” прогнозирования), вплоть до 5×5км, но невидимость объектов меньших размеру “ячейки” и сглаживания в равной степени применимы и к ним тоже. Так что, если кого интересует более точный прибрежный прогноз, чем 5×5км, он в любом случае должен скорректировать его сам, применяя корректировки на прибрежные эффекты (sea breeze, katabatic, рельеф и другие) и “обходных путей” нет.

Как морякам упростить себе жизнь

Отдельная и очень важная для практического использования группа моделей – апробированные WMO для регионов. Эти модели применяются для расчета морских и авиационных прогнозов в определенных акваториях. Таким образом, ни летчикам, ни морякам не надо заботится об адекватности использованной модели в конкретном месте в конкретном прогнозе погоды. В случае с морскими прогнозами погоды к таким относятся любые прогнозы shipping forecast (для каждого metarea и даже для каждого региона внутри metarea модель может быть использована своя, но каждая модель для каждого региона прошла апробацию в WMO, так что об использованной прогнозной модели можно не заботится. Прогнозы погоды в фотмате Meteochart (как правило это GFS), Wind charts (как правило это или GFS или IFS/ECMWF) дают хорошую точность для океанов и больших морей и, самое главное, дают хорошее представление о глобальных погодных явлениях, таких как ураганы, депрессии (циклоны) фронты, которые, как правило, в других прогнозных форматах мало заметны.

Что забывать нельзя

Но не думать о корректировке прибрежного прогноза на прибрежные эффекты не получится в любом случае: прибрежные эффекты, которые не входят в прогнозы могут быть более сильные, чем те, которые находят отображение в прогнозах погоды. Важно понимать, что все погодные выражения и не сосуществуют параллельно, но складываются в единую комбинацию, и, обычно, выражаются в виде изменения угла прихода ветра, или его силы. Подробнее прибрежные эффекты и как корреектировать прогноз погоды написано в статье “Важные прибрежные эффекты, которые прогнозы погоды не замечают“