Как работает прогноз погоды: от сбора данных к приложению прогноза

Каждый прогноз, показанный в приложении телефона или телевизионной трансляции, восходит к одному и тому же основному процессу: наблюдения поступают, суперкомпьютер решает уравнения атмосферы, а прогнозист или алгоритм превращает результат в прогноз. Национальное управление США по морским и атмосферным исследованиям (NOAA) описывает этот процесс просто как прогноз погоды, основанный на математике — уравнения, которые представляют физическое поведение атмосферы, решаемые повторно по мере продвижения времени.

Шесть этапов за прогнозом

1. Наблюдения собираются по всему миру — с метеорологических зондов, спутников, буев, радаров, датчиков коммерческих самолетов и кораблей, речных и прибрежных датчиков и наземных станций — и преобразуются в численные значения температуры, давления, влажности и ветра, согласно NOAA.
2. Ассимиляция данных смешивает эти свежие наблюдения с самым свежим краткосрочным прогнозом атмосферы. Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) говорит, что сотни миллионов наблюдений фильтруются и объединяются с недавними краткосрочными прогнозами каждый день через этот статистический процесс, создавая лучшую оценку текущего состояния атмосферы.
3. Численная модель делит глобус (или регион) на трехмерную сетку точек. NOAA отмечает, что более тонкие сетки дают больше локальных деталей, но требуют значительно большей вычислительной мощности — удвоение разрешения в каждом направлении примерно в четыре раза увеличивает расчеты, необходимые для одной и той же области.
4. Суперкомпьютеры решают уравнения физики в каждой точке сетки за короткие временные шаги, затем подают результат обратно как отправную точку для следующего шага. Машины NOAA, расположенные в Вирджинии и Флориде, выполняют около 2,8 квадриллиона вычислений в секунду; система ECMWF использует более одного миллиона процессоров, обеспечивая примерно 30 петафлопс.
5. Модель запускается много раз с немного отличающимися начальными условиями или настройками физики, называемыми ансамблем. NOAA говорит, что когда запуски совпадают, прогнозисты имеют большую уверенность; когда они расходятся, это само расхождение передает неопределенность общественности.
6. Человеческие прогнозисты и автоматизированные системы интерпретируют необработанные выходные данные модели — корректируя для местного рельефа, известных смещений модели или недавних наблюдений — перед выдачей публичного прогноза, предупреждения или рекомендации.

Глобальные и региональные модели

NOAA различает глобальные модели, которые охватывают всю планету при более грубом разрешении, и региональные модели, которые охватывают меньшую площадь с более высокой детализацией. ECMWF запускает свою глобальную модель дважды в день, в полночь и в полдень, с двумя дополнительными промежуточными запусками, которые обеспечивают граничные условия для собственных региональных моделей государств-членов. Агентство отмечает, что глобальная модель необходима, потому что погодные возмущения на одной стороне света могут влиять на условия в других местах дни спустя.

Почему прогнозы теряют точность со временем

Атмосфера — это хаотическая система: крошечные различия в начальных условиях растут со временем, пока прогноз не расходится с реальностью. Этот принцип, впервые выявленный метеорологом MIT Эдвардом Лоренцем, объясняет, почему ни одна модель — независимо от мощности — не может прогнозировать бесконечно далеко в будущее.

Исследование, проведенное под руководством исследователя Пенсильванского государственного университета Фуцина Чжана, протестировало две ведущие глобальные системы прогнозирования — модель ECMWF и американскую систему глобального прогнозирования следующего поколения — против реальных событий, включая европейскую холодную волну и китайские наводнения, используя почти идеальные начальные данные. Команда пришла к выводу, что надежные ежедневные прогнозы достижимы примерно на 9–10 дней вперед для средних широт, где живет большинство населения мира, и что это может расширяться до примерно 14–15 дней при улучшении сбора данных, алгоритмов и вычислительной мощности.

Собственное техническое руководство NOAA по выходным данным модели дает более консервативную цифру для необработанных прогнозов на сетке, отмечая, что модели остаются в целом точными в течение примерно четырех дней, после чего вариация между запусками значительно увеличивается — одна из причин, по которой ансамбли и прогнозисты-люди остаются частью процесса для среднесрочного диапазона.

Что дальше для технологии прогнозирования

ECMWF говорит, что будущие успехи зависят от прогнозов ансамбля с более высоким разрешением, лучшего представления процессов земной системы (атмосфера, суша и океан вместе) и улучшенной ассимиляции наблюдений погоды — все это требует большей вычислительной мощности. Программа масштабируемости центра готовит систему к экзащитным вычислениям (миллиард миллиардов вычислений в секунду) и также исследует методы машинного обучения как часть своих систем прогнозирования, согласно его собственному информационному листу.