Метеорологический прогноз: методы и точность¶

Метеорологический прогноз — это научно обоснованное предположение о будущем состоянии атмосферы в определённом месте и времени, составляемое на основе данных наблюдений, физических законов и статистических моделей. Прогнозы классифицируются по заблаговременности (периоду упреждения) и охватывают такие параметры, как температура, осадки, ветер, влажность и атмосферное давление.

¶Методы составления прогнозов

¶Синоптический метод

Исторически первый подход, основанный на анализе синоптических карт — карт погоды, на которые наносятся данные метеостанций, зондов и спутников. Синоптик сопоставляет расположение циклонов, антициклонов, атмосферных фронтов и воздушных масс, после чего экстраполирует их перемещение и эволюцию на ближайшие 1–3 суток. Метод сильно зависит от квалификации специалиста и субъективен.

¶Численные методы (гидродинамические)

Современная основа прогнозирования. Атмосфера описывается системой уравнений гидротермодинамики (уравнения Навье — Стокса, термодинамики и неразрывности), которые решаются численно на суперкомпьютерах. Мир разбивается на сетку с шагом от 9 до 30 км в глобальных моделях (ECMWF, GFS, ICON) и до 1 км в региональных (COSMO, WRF). Такие модели считают эволюцию атмосферы на срок до 10–15 суток.

¶Статистические методы

Используют регрессионный анализ, аналоги (поиск схожих ситуаций в прошлом) и методы машинного обучения. Часто применяются для постобработки (калибровки) выходных данных численных моделей — например, для уточнения температуры в конкретном городе с учётом его микроклимата (метод MOS — Model Output Statistics).

¶Ансамблевый подход

Поскольку атмосфера хаотична, запускается не один расчёт, а множество (ансамбль) с небольшими возмущениями начальных данных. Разброс траекторий ансамбля показывает степень неустойчивости прогноза. Если все члены ансамбля дают схожий результат, прогноз надёжен; если расходятся — неопределённость высока. На основе ансамблей составляются вероятностные прогнозы (например, «вероятность осадков 70%»).

¶Точность прогнозов

Точность зависит от заблаговременности, региона, сезона и прогнозируемого параметра. Согласно оценкам Всемирной метеорологической организации (ВМО), прогноз на 1 сутки по температуре оправдывается в 95–98% случаев, на 3 суток — в 90–95%, на 5 суток — около 85–90%. Прогноз на 10 суток по температуре уже сопоставим с климатической нормой по полезности.

Прогноз осадков менее точен, чем температуры: ошибка в положении фронта на 50–100 км приводит к ошибке «дождь/нет дождя» в конкретном пункте. Зимой точность выше летом из-за меньшей роли конвекции. В тропиках прогнозы сложнее, чем в средних широтах, из-за слабой выраженности барических полей.

¶Предел предсказуемости

Теоретический предел детерминированного прогноза погоды оценивается в 2–3 недели (так называемый предел Лоренца). После этого срока малые ошибки в начальных данных, удваивающиеся каждые 2–3 дня, полностью разрушают предсказательную силу модели. Поэтому прогнозы на месяц и сезон являются не погодными, а климатическими — они дают лишь отклонение средней температуры или количества осадков от нормы.

¶Оправдываемость и критерии оценки

В России оправдываемость прогнозов оценивается по методике Росгидромета: прогноз считается оправдавшимся, если фактическое значение параметра попало в заданный интервал (например, для температуры — отклонение не более 2–3 °C в зависимости от сезона). Средняя оправдываемость суточных прогнозов по стране составляет 94–97% для температуры и около 80–85% для осадков.

¶Ограничения и источники ошибок

Основные источники ошибок: неполнота и неточность начальных данных (особенно над океанами и полярными регионами), приближённость параметризаций (описание облаков, турбулентности, радиации), дискретность сетки модели и хаотическая природа атмосферы. Локальные явления — грозы, шквалы, туманы — часто имеют масштаб меньше шага сетки и прогнозируются лишь как вероятность.

¶Применение

Прогнозы используются в авиации (обязательные метеосводки для полётов), морском судоходстве, сельском хозяйстве, энергетике (прогноз нагрузки и выработки ветровых/солнечных станций), при предупреждении о стихийных бедствиях (ураганы, наводнения, заморозки) и в повседневной жизни населения через мобильные приложения и СМИ.

¶Источники

• Всемирная метеорологическая организация (ВМО), «Руководство по практике прогнозирования погоды».
• Росгидромет, «Методические указания по оценке оправдываемости прогнозов погоды».
• Лоренц Э. «Детерминированное непериодическое течение» (1963).
• Kalnay E. «Atmospheric Modeling, Data Assimilation and Predictability» (2003).