№42(127) 2 декабря 2014

Долгосрочные прогнозы земной погоды: мифы и реальностьСовременное состояние исследований земной погодыПрежде чем перейти к популярному рассказу о современной “кухне” прогнозов погоды, приведем традиционное определение понятия “погоды”. Погода есть совокупность непрерывно меняющихся значений метеорологических элементов и атмосферных явлений, наблюдаемых в данный момент времени в той или иной точке пространства. Понятие “погода” относится к текущему состоянию атмосферы, в противоположность понятию “климат”, которое относится к среднему состоянию атмосферы за длительный период времени. Этот термин можно перефразировать и так: погода – это текущее термогидродинамическое состояние атмосферы.

В мире тратятся огромные средства на изучение Земли и земной погоды. Это и наземные станции, и орбитальные аппараты. По мониторингу Земли с орбиты пальму первенства держат США и Западная Европа. Европейское космическое агентство (ESA) оперирует целым комплексом инструментов различного назначения, и каждый из них в той или иной степени может работать на предсказание изменений климата и прогнозы погоды. Группировка орбитальных аппаратов передает на Землю более 100 терабайт данных в год, 3 тыс. проектов используют эти данные на Земле. Бюджет ESA на 2014г. составит ≈ 4 млрд €. Бюджет NАСА составит ≈18 млрд $; бюджет Роскосмоса -166 млрд руб.

Нет даже необходимости приводить примеры из нашей повседневной жизни, характеризующие впечатляющее применение достижений космической индустрии — они многочисленны и общеизвестны.

Но трагические события последних лет в России — аномально высокая жара 2010г. в центральной части Европейского региона, катастрофическое наводнение на Дальнем Востоке 2013г., вызванное интенсивными затяжными осадками, показали, насколько незначительны наши знания о гидродинамических процессах, происходящих в окружающей природной среде. Насколько же уязвимыми мы являемся перед природными катаклизмами из-за их (знаний) отсутствия. Всемирная метеорологическая организация (ВМО) в своем Заявлении о научной основе и об ограничениях для прогнозирования погоды и перспективных оценках климата продекларировало свои достижения: “… прогнозы на трое суток (всего лишь на трое — прим. авт) для приземного давления настолько же хороши, как прогнозы на сутки, которые выдавались 20 лет назад, что является величайшим научным достижением”.

Службы погоды РФ, естественно, не отстают в рекламе своих достижений от своих старших по рангу коллег.

О реальных и мнимых трудностях долгосрочного прогнозирования земной погоды

В связи с такими заявлениями у многих специалистов из отраслей знаний, не связанных непосредственно с изучением погоды, да и у простых налогоплательщиков, все эти впечатляющие технические и финансовые возможности вызывают лишь раздражающее недоумение. Как при таких объемах информации и задействованных ресурсах ученые-прогнозисты только разводят руками, когда требуется точное прогнозирование даже на небольшой период времени?

Почему возникла такая тупиковая ситуация в долгосрочных прогнозах погоды? Т.е. дальнейшее накопление экспериментальных данных с помощью больших затрат, в том числе, и с использованием очень дорогостоящей космической техники, не дает значимого улучшения долгосрочного прогноза.

Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, сделаем исторический экскурс в методологию прогноза погоды. В дальнейшем под прогнозом погоды будем подразумевать чаще всего применяемый на практике гидродинамический прогноз погоды. Не вдаваясь в подробности, отметим, что гидродинамический прогноз погоды основан на численном решении системы полных уравнений гидродинамики (основанных на уравнениях Навье-Стокса для вязкой жидкости) и получении прогностических полей давления, температуры и скорости ветра на определенные промежутки времени вперед для любой конкретной точки атмосферы. Почему прогноз называется гидродинамическим? Да потому, что гидродинамика есть раздел физики сплошных сред, изучающий движение не только жидкости, но и газа, т.е. атмосферного воздуха.

Первым идеологом прогноза погоды был французский математик Пьер Симон Лаплас, который сформулировал первый подход к прогнозу земной погоды. В 1776 году П.С. Лаплас заявил, что «…если мы представим себе разум, который в данное мгновение постиг все связи между объектами во Вселенной, то он сможет установить соответствующее положение, движения и общие воздействия всех этих объектов в любое время в прошлом, или в будущем». Этот его подход был очень похож на известные слова Архимеда: «Дайте мне точку опоры, и я переверну весь мир». Таким образом, П.С. Лаплас и его сторонники говорили, что для точного прогнозирования погоды необходимо только собрать больше информации обо всех частицах во Вселенной, их местоположении, скорости, массе, направлении движения, ускорении и т.п. Лаплас думал, чем больше человек будет знать, тем точнее будет его прогноз относительно будущего.

Второй подход к возможности прогнозирования погоды раньше всех наиболее четко сформулировал другой французский математик, Жюль Анри Пуанкаре. В 1903 году он сказал: «Если бы мы точно знали законы природы и положение Вселенной в начальный момент, мы могли бы точно предсказать положение той же Вселенной в последующий момент. Но даже если бы законы природы открыли нам все свои тайны, мы и тогда могли бы знать начальное положение только приближенно. Если бы это позволило нам предсказать последующее положение с тем же приближением, это было бы все, что нам требуется, и мы могли бы сказать, что явление было предсказано, что оно управляется законами. Но это не всегда так; может случиться, что малые различия в начальных условиях вызовут очень большие различия в конечном явлении. Малая ошибка в первых породит огромную ошибку в последнем. Предсказание становится невозможным, и мы имеем дело с явлением, которое развивается по воле случая».

В этих словах Пуанкаре мы находим постулат теории хаоса о зависимости от начальных условий.

Специалисты многих стран, занимающиеся теорией гидродинамического прогноза погоды, основываясь в основном на работах Эдварда Лоренца, концептуально обосновали возникшую ситуацию, введя термин «горизонт прогноза», который якобы устанавливает фундаментальное ограничение порядка 2 недель для корректного прогноза погоды. Американский метеоролог Э. Лоренц своими исследованиями в 1963г. (о которых мы уже упоминали в статье «Загадочная Луна и Земная погода», опубликованной в «Обнинской газете» №27 от 29.07.2014г.), казалось, опроверг детерминизм Лапласа и подтвердил правильность второго подхода, который обосновал А. Пуанкаре. Он, проинтегрировав существенно упрощенные, но все-таки нелинейные уравнения гидродинамики (уравнения Навье-Стокса), показал, что решение таких нелинейных уравнений чрезвычайно чувствительно к возмущениям начальных данных. И каждый раз, меняя точность представления начальных данных, на выходе системы получают совершенно другое решение, т.е. другой прогноз.

Некоторые критические замечания о современной идеологии долгосрочных прогнозов погоды

Но Э. Лоренц произвольно перенес свои выводы и на численное моделирование прогнозов погоды. В «Заключении» к своей работе «Детерминированное непериодическое течение. Странные аттракторы» он писал: “Из-за неизбежной неточности и неполноты наблюдений погоды точное предсказание на очень долгий срок, видимо, невозможно” (обращаю внимание на вводное слово «видимо» — прим. авт.).

Уже вскоре появились работы, в которых утверждалось, что “обрезание” Э. Лоренцом исходных уравнений конвективного движения не совсем корректны. При таком подходе “вырезаются” решения для турбулентных пульсаций из исходных уравнений, а значит, исключается участие случайных процессов в формировании неустойчивых решений. Наш выдающийся геофизик, академик РАН А.С. Монин подверг обоснованной критике волюнтаристский подход Э. Лоренца, который произвольно использовал полученные выводы для оценки используемых методик численного прогнозов погоды. Вот что писал А.С. Монин об этих результатах Э. Лоренца: «… что при тех значениях параметров, которые использовал в своих расчетах Э. Лоренц, система уравнений для термической конвекции морской воды теряет гидродинамический смысл”. И далее, что: “…пример странного аттрактора, впервые изученный Лоренцом… не соответствует никакому реальному течению…”. (О явлении «термической конвекции» и о «странных аттракторах» было подробно рассказано в уже упоминавшейся мной статье «Загадочная Луна и Земная погода»). Следует отметить, что исследователи, критикующие Э. Лоренца, не отрицали реального существования «странных аттракторов Лоренца» и не обязательно в гидродинамических течениях.

Также российские прогнозисты любят ссылаться на высказывание нашего выдающегося математика В.И. Арнольда: “Например, в простейшем случае идеализированной модели атмосферы (рассматриваемой как двумерная идеальная жидкость на поверхности тора) отклонения возрастают за два месяца в сто тысяч раз. Ясно, что одно это обстоятельство делает динамический прогноз погоды на такое время практически невозможным”. (Идеальная жидкость — воображаемая жидкость, в которой отсутствуют вязкость и теплопроводность). Но, во-первых, реальная атмосфера не является идеальной жидкостью. Во-вторых, В.И. Арнольд — выдающийся математик, и если он пишет о торе, значит, доказательство было для тора, а не для сферы. Не вдаваясь в математические тонкости, приведу удивительный пример из топологии: проблема “4 красок”. Проблема “4 красок” заключается в доказательстве топологической гипотезы о том, что всякую расположенную на сфере карту можно раскрасить четырьмя красками так, чтобы любые две области, имеющие общий участок границы, были раскрашены в разные цвета. Для других топологических поверхностей проблема числа необходимых для раскраски красок решилась достаточно давно аналитическими методами. Например, для тора проблема “необходимого числа красок” решена аналитически в 1890 г. А вот для сферы, более простой топологической поверхности не решена до сих пор. Вернее, она была решена и для сферы, но, только на сто лет позднее, и с использованием численных расчетов на компьютере (для математиков такое решение не является вполне доказательным).

Таким образом, поскольку для атмосферы, как правило, используются уравнения геофизической гидродинамики на сфере, постольку высказывания В.И. Арнольда относятся к гипотетической идеализированной атмосфере.

До настоящего времени никто из прогнозистов ни российских, ни зарубежных не обосновал существование такого понятия, как «горизонт прогноза» для реальной атмосферы — атмосферы, для которой делается прогноз погоды на сроки больше недели. Все обоснования этого термина проводились для атмосферы, описываемой линеаризованными уравнениями геофизической гидродинамики без учета диссипативных (аналогов сил трения) эффектов. Даже сам Э. Лоренц не до конца был уверен в своей концепции прогноза погоды. В своей работе, которую мы уже выше цитировали, он заметил: “Остается вопрос: можно ли в действительно применить наши результаты к атмосфере?” И сам же на него отвечает: “…в принципе может

существовать некая аккуратная схема очень долгосрочного прогноза, использующая доступные в данный момент наблюдения”.

Тем не менее, спекулирование на авторитете Э. Лоренца, манипулирование терминами «странный аттрактор», “эффект бабочки”, “горизонт прогноза” привело к тому, что в настоящее время специалисты долгосрочных прогнозов погоды получили как бы индульгенцию на свои нерепрезентативные (нереальные) прогнозы, а идеология численных прогнозов погоды на эти сроки просто зашла в тупик.

Возможный выход из тупика

Что необходимо делать? Нужно исправлять ситуацию. Очевидно, что нужно менять идеологию прогноза, и, прежде всего, уточнять физические модели прогноза — искать физические механизмы, которые ответственны за зарождение тех, или иных метеорологических явлений, а не до бесконечности улучшать численные схемы прогноза».

Результаты наших исследований, о которых я рассказывал в уже упоминавшейся мной статье «Загадочная Луна и Земная погода», показывают, что атмосферные лунные приливы являются эффективным механизмом, влияющим на формирование погоды в среднеширотной и высокоширотной тропосфере обоих полушарий Земли.

К сожалению, наших, да и, возможно, зарубежных высокопоставленных чиновников различных Служб Погоды существующее положение с методологией долгосрочных прогнозов погоды, по-видимому, устраивает. А зачем упираться, проводить фундаментальные исследования по проблемам долгосрочного прогноза и предсказуемости прогноза! Можно спокойно существовать, выдавая удовлетворительные краткосрочные прогнозы, методика которых разработана. А в случае напоминания заинтересованных налогоплательщиков высокопоставленным чиновникам о нерепрезентативных долгосрочных прогнозах погоды, выдаваемых их Службами, с глубокомысленным видом разводить руками и все сваливать на непредсказуемость матушки природы и существование какого-то мифического «горизонта прогноза» погоды.

За последние несколько десятилетий в мировом сообществе сформировалось такое понятие как гидрометеорологическая безопасность. В статье (2007г.) «Гидрометеорологическая безопасность и устойчивое развитие России» в то время Руководитель Росгидромета, а сейчас Советник Президента РФ В.В. Путина, А.И. Бедрицкий привел данные среднегодовых экономических потерь в 60 млрд руб. в России в 1995-2003 гг., обусловленные гидрометеорологическими причинами. Можно предположить, что с учетом трагических событий последних лет в России, оценки этих потерь возрастут в несколько раз. Далее в той же работе А.И. Бедрицкий отмечает, что: “…отдельные регионы России за последние 5 лет оказывались на грани социально-экономических катастроф” из-за аномальных гидрометеорологических явлений. И резюмирует свой анализ, сформулировав глобальную проблему, которая, по его мнению, может быть выражена сакраментальным вопросом: “… как обеспечить гидрометеорологическую безопасность страны?”.

Опираясь на результаты и наших работ, отметим, что для успешного решения этой проблемы нужно менять идеологию долгосрочного гидродинамического прогноза погоды. Прежде всего, необходимо не увеличивать тупо до бесконечно вычислительные мощности компьютеров для долгосрочных прогнозов погоды, а искать физические механизмы, которые ответственны за зарождение глобальных метеорологических явлений, т.е. существенно расширять фундаментальные исследования по физике атмосферы (метеорологии).

Почетный Работник Гидрометслужбы России, Лауреат Премии им. К.Э. Циолковского,к.ф.-м.н. Анатолий Гаврилов