Откуда возникают ошибки прогнозов?

В СМИ часто звучит фраза «Синоптики обещают …». Это не совсем верно - не «обещают», а прогнозируют. «Обещать» здесь было бы самонадеянно, потому что прогноз погоды имеет дело с вероятностными процессами, которым неизбежно присуща та или иная степень неопределенности.

За последние десятилетия мировое метеорологическое сообщество достигло значительных успехов в развитии технологий численного прогноза погоды. Сегодня, например, прогнозы на трое суток для приземного давления настолько же успешны, как прогнозы на сутки 20 лет назад.

Тем не менее, полностью избавиться от ошибок в прогнозах погоды невозможно. Почему?

Причин тому несколько:

1) Неполнота и неточность наших знаний о текущем состоянии атмосферы

Чтобы прогнозировать погоду надо, прежде всего, знать, что происходит в атмосфере сейчас, в начальный момент времени. Данные гидрометеорологических наблюдений - «сырье» для расчета прогноза погоды. Чтобы подготовить прогноз на пару дней вперед, надо иметь данные о фактической погоде на территории с масштабами нескольких тысяч километров. А прогноз на неделю и далее требует уже информации о том, что происходит с погодой на всем земном шаре. При долгосрочном прогнозе приходится рассматривать практически всю климатическую систему, в которую входят атмосфера, океан и верхний слой суши.

Текущее состояние атмосферы мы всегда знаем лишь приближенно, так как наши наблюдения за атмосферой являются неполными и неточными – наблюдательная сеть достаточно редка и данные наблюдений содержат ошибки. Обширные области планеты (океаны, высокие и тропические широты) остаются слабо освещенными данными наблюдений. На территории нашей страны плотность и оснащенность наблюдательной сети также оставляют желать лучшего. Можно повышать плотность сети и уменьшать погрешности измерений, но не бесконечно - возможности такой детализации ограничены, поэтому наше знание текущего состояния атмосферы никогда не будет полным.

2) Несовершенство используемых прогностических методов и моделей

Основным прогностическим инструментом сегодня становятся численные модели атмосферы – они успешно воспроизводят многие свойства атмосферы и становятся все более совершенными. Что из себя представляет современная прогностическая модель атмосферы? - Это сложный программный комплекс (трудозатраты на разработку составляют сотни человеко-лет), который решает систему уравнений, описывающую эволюцию атмосферы, т.е. рассчитывает температуру, влажность, ветер и другие параметры на разных высотах в различных точках земного шара. В модели учитываются процессы термогидродинамики, преобразований влаги, радиационно-облачные взаимодействия, сложные процессы в пограничном слое атмосферы и на границе с ее подстилающей поверхностью и т.д. Некоторые физические процессы в моделях не учитываются сознательно из-за того, что они меньше влияют на успешность прогноза. Другие огрубляются, т.к. их расчет требует больших вычислительных ресурсов (расчет прогнозов погоды – одна из самых «жадных» до компьютерных ресурсов задач, решаемых сегодня учеными). О третьих мы пока мало знаем. Среди влияющих факторов можно выделить более и менее важные, но, в конечном счете, учет множества «мелочей» рождает новое качество прогнозов.

На сегодняшний день автоматизированные прогностические технологии не способны прогнозировать некоторые погодные явления. Это связано с тем, что многие явления погоды, включая опасные явления, имеют локальный характер и сложную природу образования, которую в настоящее время затруднительно описать формально для полной автоматизации прогноза с приемлемым уровнем успешности. По этой причине целый ряд явлений погоды (например, туманы, гололед и др.) прогнозируются в основном специалистами-синоптиками на местах, которые хорошо знают условия их образования и развития в конкретном регионе. Результаты модельных расчетов синоптики используют как основу для составления окончательных, «официальных» прогнозов погоды, предполагающих синтез опыта специалистов-прогнозистов и результатов различных прогностических технологий.

3) Проблема предсказуемости

Проблема предсказуемости стала осознаваться уже после первых численных экспериментов по моделированию эволюции атмосферы на долгие сроки. Еще в 50-х годах было показано, что сколь угодно малые ошибки задания начальных данных для расчета прогноза с течением времени трансформируются в большие. За пределами примерно двух недель ошибки детализированного по дням модельного прогноза вырастают до уровня ошибок случайного прогноза. Так проявляются объективные (т.е. непреодолимые при любой квалификации прогнозистов) ограничения на возможность точно прогнозировать конкретный ход эволюции атмосферных процессов на достаточно длительных интервалах времени. Ограничение связано с тем, что начальные условия для расчета прогноза всегда содержат погрешности, и начальные ошибки имеют тенденцию расти в течение периода прогноза из-за неустойчивости атмосферных процессов («эффект бабочки»). Практическая предсказуемость атмосферы зависит от целого ряда факторов, в том числе и от структуры атмосферных течений (т.е. от текущей погодной ситуации) – в некоторых случаях развитие погодных процессов хорошо «просматривается» на несколько суток вперед, а бывает, что и прогноз на завтра оказывается очень ненадежным.

Все это не означает, что мы ничего не можем сказать о будущем атмосферы за пределами пары недель. Можем, но прогнозы на долгие сроки формулируются в другой форме и требования к ним иные - как правило для долгосрочных прогнозов используются вероятностная формулировка и представление результатов в терминах средних за период (например, месяц или сезон) величин. Формально ничего не стоит детализировать, например, прогноз на несколько недель вперед по суткам или даже по минутам, но эта «точность» будет дутой, т.е. необеспеченной реальными возможностями современных прогностических технологий.

Что будет дальше? - Качество прогнозов постепенно будет расти, будет расширяться период полезного прогноза, но ни у нас в стране, ни в других странах, ни через десять, ни через сто лет оно не будет идеальным - просто потому что возможности и знания человека ограничены. Так что метеорологам всегда будет к чему стремиться. Это напоминает старинную загадку о том, можно ли пройти путь между двумя точками, если сначала преодолеть половину назначенного расстояния, потом половину от оставшегося отрезка, потом еще половину и т.д. Ответ понятен: нельзя, можно лишь постепенно приближаться к цели.