Только что стояла чудесная погода — и вот небо темнеет, ветер треплет платья подружек невесты. Внезапно возникший ураган убил одного гостя, семеро были ранены. «Мы следили за прогнозом погоды, — говорит невеста Керри Гайет,- и думали, что будет замечательный денек».
Керри и Джейсон Гайет поженились в прошлом году. Свадьбу устроили летним днем на островке, расположенном вблизи вермонтского берега озера Шамплейн.
Погода была даже лучше, чем по прогнозу, а синоптики обещали умеренную облачность, ветер западный, два-четыре метра в секунду. На небе не было ни облачка, и на поверхности воды играли солнечные лучи. «Это был идеальный день для свадьбы»,- вспоминает Сюзанна Лабомбард, мать невесты.
После того, как новобрачные поцеловали друг друга, погода стала портиться. «Ветер изменился и начал все сильнее задувать с севера, — говорит Джейсон, — но я не видел в этом никакого повода для беспокойства». Жених и невеста сели в открытую коляску, запряженную лошадьми, чтобы проехаться по острову, но через некоторое время ветер серьезно усилился, и невеста стала опасаться, что он унесет ее вуаль. Тогда они повернули назад. «Я отчетливо видел край облачного фронта — он был примерно в трех километрах от нас, — говорит Джейсон.
Они вернулись к шатру, где собралась большая часть приглашенных на торжество гостей (всего их было двести человек). Полотняные стенки развевались на ветру, а несколько удерживавших их колышков вырвало из земли, но волноваться, казалось по-прежнему было не о чем. Шатер размером 18 на 36 метров был закреплен с помощью кольев, забитых в землю более чем на метр. «Эта штуковина уж точно никуда не улетит», — заверил Джейсона ди-джей.
Жених услышал за спиной оглушительный шум. Один мощный порыв ветра оторвал шатер от земли и швырнул в воздух. Двухметровые колья взмыли ввысь, посуда разбилась вдребезги, а поддерживавший его девятиметровый столб пролетел над всей лужайкой. Этот порыв ветра продолжался всего несколько секунд. Пострадало семь человек. Бабушка жениха скончалась от ранений.
Погода — явление глобального масштаба: штормы и бури, теплые и холодные фронты могут распространяться на тысячи километров. В то же время изменения затрагивают каждого из нас и проявляются в различных местах по-разному. Во время бракосочетания погода была великолепная, но потом начался ураган — вот та градация, которая нас интересует.
Мы хотим от метеорологов практически невозможного: изучать процессы, затрагивающие всю земную атмосферу, и при этом сообщать, какая погода будет здесь сегодня в половине пятого вечера.
Благодаря, главным образом, усовершенствованию приборов наблюдения и появлению мощных компьютеров метеорологи могут делать все более долгосрочные прогнозы. Так, сегодня в США температуру на пять дней вперед предсказывают с точностью до трех градусов, что на один градус точнее, чтем тридцать лет назад.
В 1987 году предупреждение о ливневых паводках поступало за семь минут до их начала, а в 2004 году — уже за сорок семь. В прошлом году на побережье Мексиканского залива и Флориду обрушилось несколько ураганов. Еще тридцать лет назад метеорологи, прогнозируя, в каком месте ураган достигнет суши через три дня, допускали погрешность в 760 километров.
В прошлом году предполагаемая ошибка составляла пятьсот километров, что позволило проводить более выборочную эвакуацию населения.
И тем не менее идеально точный прогноз погоды получить практически невозможно, потому что даже мельчайшие изменения в атмосфере могут повлечь за собой коренные перемены погоды.
Не исключено, что мы никогда не сможем со стопроцентной точностью предсказывать передвижения ураганов, а самые мелкие и быстрые изменения погоды, подобные тому порыву ветра, который причинил немало неприятностей приглашенным на свадьбу, и впредь будут становиться для нас неприятными сюрпризами.
«Метеорология пока еще не стала точной наукой, — говорит Чарльз Макгилл, сотрудник Берлингтонского отделения Национальной метеорологической службы Национального управления по исследованию океанов и атмосферы. Накануне свадьбы Джейсона и Керри это отделение предсказывало сильный ветер, но не днем, а поздно вечером.
— Может быть, когда-нибудь методы прогнозирования и будут настолько хороши, что позволят точно определять, где и когда произойдет гроза, но мне кажется, что этот день наступит еще не скоро».
Погода формируется в результате взаимодействия атмосферы и солнечного тепла, в этом процессе участвуют и другие факторы. Часть солнечной энергии отражает облака, другая часть согревает землю и океанские воды. Воздух, нагревшийся в тропиках, становится менее плотным, поднимается в верхние слои атмосферы и перемещается к полюсам. По пути он охлаждается, содержащаяся в нем влага конденсируется, образуя облака, и выпадает на землю в виде осадков.
Вращение Земли заставляет воздушные потоки отклоняться: в Северном полушарии — вправо, а в Южном — влево. Направление воздушных потоков определяют также горные хребты, океанские течения и струйные воздушные течения, несущиеся вокруг земного шара в верхних слоях атмосферы со скоростью, достигающей трехсот километров в час. К этому прибавляются местные колебания температуры, влажности и давления — и в результате получается погода, которую мы наблюдаем и ощущаем на себе.
Сущность многих физических процессов, влияющих на погоду, была понята учеными десятилетия, а то и столетия назад. Однако эти процессы находятся в столь сложном взаимодействии и зависят от столь многих случайностей, что погода в результате напоминает летнее кучевое облако: его неторопливый полет выглядит абсолютно предсказуемым, и в то же время каждый его завиток словно живет своей, странной и, казалось бы, совершенно независимой жизнью.
Для того, чтобы предсказать погоду, нужно знать, какова она сейчас, каковы, по определению метеорологов, погодные условия на данный момент, — и это одна из сложнейших задач. В США данные поступают в десять Национальных центров прогнозирования явлений окружающей среды, которые входят в структуру Национальной метеорологической службы.
Ежедневно в НМС приходят рапорты о 192 тысячах наблюдений со станций, с кораблей — 2700, с метеорологических буев — 18 000, с метеозондов — 250 000, с самолетов — 115 000, со спутников — 140 миллионов. Сведения поступают и от метеослужб других стран. Но и всего этого недостаточно.
Компьютерные модели, на которые сегодня опирается прогнозирование погоды, требует большего объема информации, преподнесенной в более упорядоченной форме. Им необходимы данные из точек на условной сетке, покрывающей территорию Земли и атмосферу, которые обновлялись бы каждый час, а лучше — каждую минуту. В реальности это недостижимо.
Спутники с трудом «видят» сквозь плотные облака и не могут с большой степенью точности определять направления ветров. Метеорологические станции, метеозонды, самолеты и корабли, ведущие наблюдения за погодой, расположены неравномерно, и из многих слаборазвитых регионов, например с обширных просторов Африканского континента, поступает очень мало данных.
Для того, чтобы дополнить эти наблюдения и выбрать корректные исходные данные, метеорологи берут наиболее подробные снимки атмосферы и определяют. как она изменится в ближайшем будущем. Так получается некий промежуточный прогноз, который помогает метеорологам заполнить пробелы в полученных ими сведениях и получить законченную картину текущего состояния погоды во всех точках воображаемой глобальной сетки. Она создается с помощью метода математических моделей, который помогает заглядывать в будущее.
Компьютерная модель атмосферы, по сути, машина времени. Уравнения описывают ключевые процессы, управляющие погодой, такие как движение воздуха, испарение, вращение Земли, выделение тепла при конденсации или замерзании воды. Метеорологи вводят данные о состоянии атмосферы, модель их анализирует и выдает прогноз того, как будет изменяться ее состояние. Метеорологи, зная текущее состояние атмосферы, понимают, что с ней будет через минуту. И еще через минуту.
«Вот так и продвигаешься вперед маленькими шажками, вновь и вновь решая эти уравнения», — говорит Джеймс Хоук, директор входящего в НЦП Центра гидрометеорологического прогнозирования, который готовит общий прогноз погоды для всей территории США. На каждом этапе работы модель вывчисляет состояние погоды во всех точках воображаемой глобальной сетки, что позволяет метеорологам рисовать полную картину погодных условий на данный момент, а затем переносить ее в будущее, чтобы составить прогноз. Некоторые модели позволяют заглядывать в будущее даже на шестнадцать дней, хотя точность таких долгосрочных прогнозов невелика: фактически они могут сказать нам только о том, будет ли температура выше или ниже обычного среднемесячного показателя.
Даже маленькие шажки в будущее требуют мощного компьютерного обеспечения. «Мы и раньше знали, какие уравнения нам нужно использовать», — говорит Стейси Сьюарт из Национального центра прогнозирования ураганов, находящегося в Майами. Однако первые компьютеры работали недостаточно быстро. Они давали прогноз на позавчера.
Сегодня в вычислительном центре НЦП, расположенном на окраине Вашингтона, установлен один из самых мощных в мире компьютеров, доступных метеорологам, который обрабатывает данные. Он называется «Блю» — «синий». Его дублер «Уайт» — «белый» — находится в другом месте, а есть еще и третий суперкомпьютер, «Рэд» — «красный», его используют для усовершенствования моделей.
«Блю» работает еще на в полную мощность, но к 2009 году он будет совершать 8,6 триллиона операций в секунду — с обычным калькулятором на такую работу ушло бы пятнадцать тысяч лет.
Однако даже самые изощренные компьютерные модели сильно упрощают реальное положение дел в атмосфере. Большинство из них отслеживает и обрабатывает данные о погоде в точках, расположенных в десятках километров друг от друга, в то время как на самом деле погодные условия могут сильно различаться в пределах всего лишь нескольких километров, а грозы, например, обычно охватывают как раз такие небольшие расстояния.
Кроме того, модели имеют определенную специализацию: некоторые лучше прогнозируют ураганы, другие — зимние погодные явления, например дождь со снегом. Метеорологи пытаются выйти из положения, используя разные модели. Все это прибавляет ученым работы.
Не облегчает жизнь и так называемый «эффект бабочки».
В 1972 году Эд Лоренц, метеоролог из Массачусетского технологического института, прочел лекцию «Предсказуемость: может ли взмах крылышек бабочки в Бризилии вызвать торнадо в Техасе?». Лоренц утверждал, что такие сложные состемы, как атмосфера Земли, могут подвергаться самым серьезным изменениям в результате действия, казалось бы, незначительных факторов — вроде дуновения ветерка или повышения температуры на градус.
Прогноз погоды составляется на основе данных о состоянии атмосферы в определенный момент времени. Однако они не полностью отражают реальное положение дел, и в них неизбежны ошибки. Эти данные вводят в компьютер и на их основании получают краткосрочный прогноз (который может и не сбыться), а он, в свою очередь, используется для составления среднесрочного прогноза — еще более неточного.
Мелкие ошибки перерастают в принципиальные. Поэтому метеорологи составляют несколько прогнозов, используя отличающиеся данные. В результате появляется комплексный прогноз, предлагающий варианты возможных изменений погоды.
Возьмем один день (30 октября 2003 года) и конкретное место — город Каспер, штат Вайоминг. На основании комплексных прогнозов на неделю тенденций изменения атмосфернного давления и прогноза силы ветра и количества осадков на текущий момент была определена вероятная погода в этот день. Однако где-то взмахнула крылышками бабочка…
Комплексный прогноз за 7 дней
Комплексный прогноз за 4 дня
Краткосрочный прогноз, составленный с помощью модели.
Комплексный прогноз за один день
В итоге…
Небольшая перемена ветра может на километры отклонить ураган от спрогнозированного курса. «Зимой перемена температуры на какую-то долю градуса может предопределить, что будет падать с неба — снег, дождь или дождь со снегом, — говорит Хоук. — Эти небольшие изменения оказывают огромное влияние на миллионы людей».
Для того, чтобы «эффект бабочки» не сводил на нет всю работу метеорологов, ученые прибегают к методу комплексного прогнозирования. В качестве отправной точки они берут набор начальных условий и составляют на его основе некоторое количество прогонов — оно может доходить и до пятидесяти, как в Европейском центре, который является лидером в области применения этого метода. Каждый раз в наборе начальных условий делается небольшой допуск: изменение силы ветра на метр в секунду, температуры — на градус, влажности — на один процент.
Таким образом, в прогноз вносится статистическая погрешность: скажем, сорок три из пятидесяти компьютерных прогнозов предсказывают снег, а семь — дождь. Именно поэтому во многих прогнозах есть слова «возможно» и «вероятно».
Прогнозирование осадков — одна из самых трудных задач. Сложнее всего это сделать летом, когда дожди проливаются по большей части из грозовых облаков, слишком маленьких для того, чтобы их брали в расчет компьютерные модели. Летом в одном месте может выпасть несколько сантиметров осадков, а в пяти километрах от него — вообще ничего. Прогнозировать осадки легче в холодные сезоны, когда все погодные явления более масштабные и ведут себя более организованно.
Какое будущее у прогнозирования обычных явлений, которые интересуют большинство людей, — холодных фронтов, дождей и ясной погоды? Качество таких прогозов будет неуклонно повышаться, уверен Ричард Антес, президент Межуниверситетской ассоциации по изучению атмосферных явлений: » К 2025 году точность количественных прогнозов на двухдневный срок станет практически идеальной. Если в прогнозе говорится, что выпадет 30 сантиметров снега, значит, выпадет от 25 до 35 сантиметров». Недельные прогнозы температуры и осадков будут так же точны, как сегодня — двух- или трехдневные.
Появятся более подробные модели, компьютеры будут мощнее.
Но, несмотря на все технические достижения последних лет, тот день, когда метеоролог сможет забыть об интуиции и полагаться только на технику, наступит еще очень не скоро.
