23.11.2020
История прогноза погоды
С давних времен люди стремились предугадывать изменения погоды, пытались установить связь между ее изменениями и движениями небесных тел, характером погоды в смежных сезонах и т.д. Однако все эти попытки не имели научной основы и поэтому были безрезультатны. Постепенное накопление сведений о погоде и климате различных широт, начиная с эпохи Великих географических открытий (конец XIV века – начало XV века), а затем и изобретение приборов для измерения основных метеорологических величин (XVII – XVIII веков), в первую очередь барометра, открыли путь к научному предсказанию погоды.
Древние люди обожествляли явления погоды, но вместе с поклонением силам природы, человек всё чаще задумывался о ее загадках, пытаясь их разгадать. Вызов атмосферы был принят уже на ранних стадиях развития цивилизации. Человек добывал знания об окружающем его мире в суровой борьбе за существование. Эволюция формировала сознание человека, накапливала знания и представления о мире, объяснения окружающих явлений, остатки которых сохранились и в нашем языке.
Пожалуй, первым метеорологом можно считать библейского Иосифа, правильно истолковавшего сон фараона о семи тучных и семи худых коровах. «И сказал Иосиф фараону: „...семь коров тощих – это семь лет голода”» (Библия, Бытие, глава 42). Кроме того, он продемонстрировал отличный пример правильного использования прогноза, посоветовав фараону запасаться зерном в урожайные годы. Этот пример весьма поучителен для современных метеорологов, поскольку, кроме подготовки прогноза, они должны стремиться к тому, чтобы прогноз был правильно использован лицами, принимающими решения.
Греки Древней Греции IV веке до нашей эры первые обратили внимание на то, что характер погоды связан с направлением ветра. Великий мыслитель древности Аристотель обобщил эти наблюдения в трактате «Метеорологика». Он писал, называя ветры собственными именами: «Апарктий, Траский и Аргест, рассеивая плотные облака, приносят ясную погоду... Аргест и Эвр – сухие ветры, последний сух лишь вначале и влажен в конце... Нот, Зефир и Эвр горячи. Кайкий покрывает небо мощными облаками». Вывод Аристотеля о связи характера погоды с направлением ветра – великое прозрение. Это не просто примета, а выявленная закономерность, которую можно развивать дальше, в чем и заключается научный подход к природе. С Аристотеля, можно считать, и началась метеорология. Подмеченные им закономерности хорошо укладываются в современную схему атмосферных процессов, а методы прогноза погоды нашего времени – не что иное, как все то же выражение связей погоды с воздушными массами, приходящими с разных сторон горизонта, но связи эти имеют гораздо более сложный, математический вид.
Время европейского Средневековья пропало для метеорологии, да и для всей науки, почти даром – настолько велико было влияние религиозных догм. Церковь утвердила неизменную картину мира, которую пересматривать было нельзя. Среди авторитетов, ее создавших, оказался и Аристотель! А он, как мы знаем, правильно оценил влияние направления ветра на погоду, подметил круговорот воды в природе, но, увы, заблуждался во многих других вопросах. Например, считал, что ветер – это «дыхание Земли», а воздух обладает свойством «абсолютной легкости», то есть не имеет веса. При таком подходе представить себе атмосферу как самостоятельную оболочку земного шара было нельзя. Метеорологии пришлось дожидаться XVII века Только через две тысячи с лишним лет после Аристотеля люди убедились, что воздух имеет вес, и еще какой! Установить это помогли опыты с изобретенным в начале 40-х годов XVII века водяным барометром.
В переводе с древнегреческого название этого прибора так и читается – «измеритель тяжести» (βαρος – «тяжесть», μετρεω – «измеряю»). А работает механический барометр так: в сосуд с жидкостью вертикально помещают трубку, затем из трубки откачивают воздух с ее верхнего конца, и жидкость начинает подниматься вверх по трубке. Почему? Давали самые разные объяснения, но наконец пришли к единственно правильному выводу: это окружающий воздух давит своим весом на жидкость в сосуде и загоняет ее в пустоту трубки. Так было доказано, что воздух имеет вес, и сформировалось понятие об атмосфере, газовой оболочке Земли.
Рис.1. Виды барометров: ртутный, механический, барометр-анероид
Теперь можно было измерить вес воздуха, вернее, его давление, то есть вес, приходящийся на 1 кв. см поверхности Земли. Это проделал бургомистр германского города Магдебурга, а по совместительству и пытливый исследователь Отто фон Герике, построив водяной барометр. Вода в трубке такого барометра при откачивании воздуха из нее поднималась примерно до 10 м и дальше «идти не хотела». Герике сделал правильный вывод: вес 10-метрового водяного столба уравновешивается весом атмосферного воздуха. Отсюда легко подсчитать давление воздуха: если 1000 куб. см воды умножить на вес одного ее кубического сантиметра — 1 г, то получится 1 кг на 1 кв. см — именно так давит воздух на поверхность любого предмета, находящегося на земле.
Резкое падение давления воздуха грозит человеку большими неприятностями. Например, при разгерметизации самолета на больших высотах, где давление воздуха значительно меньше приземного, человека может просто разорвать под действием его собственного внутреннего давления. В обычной же жизни метеозависимые люди тонко чувствуют даже сравнительно небольшие изменения атмосферного давления. Вы, наверное, слышали про ревматиков, предсказывающих изменения погоды по боли в суставах?
Итак, давление воздуха измерено, но Герике на этом не остановился. Он продолжил свои наблюдения и установил, что давление меняется со временем, меняется волнообразно, и вместе с тем изменяется погода: когда высота водяного столба уменьшается, начинаются дожди и сильные ветры, когда растет – устанавливается ясная солнечная погода. Так родился метод предсказания погоды по барометру. Это был огромный шаг вперед. Никто еще не знал, почему связаны между собой давление и погода, но впервые появился количественный и, главное, точно измеряемый признак погодных изменений. Правда, с водяным барометром работать было трудно, но тут пришел на помощь итальянец Эванджелиста Торричелли – в 1644 году он изобрел компактный барометр, в котором вода была заменена в 10 раз более тяжелой ртутью. Такой прибор – около 1 м высотой – можно было переносить и помещать где угодно.
Барометр на долгие годы стал незаменимым прибором, особенно для моряков. И вот один из них задумал превратить прогнозы погоды по барометру в регулярно действующую службу штормовых оповещений. Это Роберт Фицрой, адмирал английского флота, человек незаурядной и трагической судьбы. Большую часть своей жизни он провел в море и хорошо знал, во что обходятся людям и кораблям капризы погоды. Поэтому в 1850-х годов Фицрой на свой страх и риск налаживает производство барометров для рыбаков и составляет руководство, в котором объясняет правила прогноза погоды по изменениям давления. Более того, он добивается разрешения на организацию сети из 24 метеорологических станций, связанных телеграфом с Лондоном. Как только сеть заработала, он сразу же приступил к составлению прогнозов погоды на ближайшие несколько дней. Ему хотелось, чтобы как можно больше людей знали о надвигающихся штормах, и вот уже солидная английская газета «Таймс» 5 сентября 1860 года, впервые в истории человечества, помещает на своих страницах прогноз погоды на завтра.
Рис.2. Роберт Фицрой
Фицрой хорошо понимал ограниченность своей методики, но не чистый разум, а совесть и сердце руководили поступками уже стареющего адмирала. «Пусть наши предсказания не всегда верны, – говорил он, – но если сбудется лишь одно и спасется лишь один корабль, мы сохраним жизни наших моряков». Он измерял ценность прогнозов не фунтами стерлингов, а спасенными жизнями. Однако для обывателей этого было мало – давай абсолютно точные прогнозы, и все тут. Первые грозовые облака критики над головой Фицроя появились спустя два года после начала публикации прогнозов, нападки газет на него становились все более вызывающими. А он на это отвечал: разве нельзя понять, что «законы природы всегда истинны. Это неоспоримо. Просто мы еще не научились их правильно объяснять». Угнетало его и негативное отношение к прогнозам погоды со стороны официальных ученых: Лондонское королевское общество, самый центр английской науки, благоразумно оберегало свою репутацию. И вот случилось то, что иногда случается с подвижниками: психика Фицроя, надломившаяся под тяжестью многолетнего труда, газетных издевок и иронического недоверия, не выдержала. Вскоре после трагической смерти Фицроя выпуск прогнозов погоды прекратился, поскольку, как выразились члены специальной комиссии, «еще нет научных оснований для ежедневных предсказаний». Но современники Фицроя хорошо помнят и другое – как жены простых рыбаков и на севере Шотландии, и на юге Англии, вспоминая о «своем адмирале», сокрушенно вздыхали: «Кто теперь позаботится о наших мужьях?» Это и есть самая справедливая оценка его благородного подвижничества. А между тем девятью годами раньше началась Крымская война: Англия, Франция, Турция и даже маленькое Сардинское королевство напали на Россию, стараясь ограничить ее растущее влияние на Балканском полуострове.
В 1854 году к полуострову Крым подошел огромный флот союзников, и началась знаменитая осада Севастополя, длившаяся 349 дней… Война – это всегда плохо, но, надо признать, она обязательно ведет за собой и научно-технический прогресс. Так случилось и на сей раз, причем прогресс проявился именно в метеорологии и прогнозах погоды. Флот союзников большей частью встал на прикол в узкой и длинной Балаклавской бухте. Те же корабли, которым места в бухте не хватило, стояли на рейде перед ней. А надо сказать, что берега Крыма вблизи бухты сложены скалами, отвесно уходящими в море.
И вот 14 ноября 1854 года совершенно неожиданно на крымский берег обрушилась буря невиданной силы. Один английский капитан писал потом: «Всякая мысль о горизонтальной поверхности моря, вся правильность волнения, казалось, были утрачены в кипящей и клокочущей массе, которая с громом разбивалась о неподвижные скалы». Буря свирепствовала с восьми утра и до позднего вечера, скорость ветра подчас достигала 37 м/с. Противостоять такому ветру было невозможно, некоторые суда пытались выйти в открытое море, но их сразу же отбрасывало на скалы. Всего англо-французский флот у берегов Балаклавы, Херсонеса и Качи потерял в этот день не менее 50 судов, груженных продовольствием и боеприпасами. Убытки составили более 2 млн. фунтов стерлингов, и по тем временам это был такой ущерб, что на метеорологию впервые обратили внимание не только ученые, но и государственные деятели. Военный министр Франции Вальян узнал, что за день до того, как буря разразилась над Балаклавой, она прошла над Средиземным морем, а значит, была не такой уж внезапной. Он обратился к известному астроному Леверье с просьбой изучить все обстоятельства возникновения Балаклавской бури.
Рис.3. Урбен Леверье
Запросив метеорологов и астрономов всех стран Европы о погоде 12-16 ноября 1854 года, Леверье получил 250 ответов, на их основании проследил путь бури и понял, что пора создавать постоянную сеть метеорологических станций. Только она позволит быстро осуществлять сбор информации и оперативно оповещать моряков и население о надвигающейся непогоде. 16 февраля 1858 года он представил проект такой сети станций императору Наполеону III и вскоре получил одобрение. Уже 19 февраля энергичный астроном с помощью главного директора почт и телеграфа собрал метеорологические сведения по Франции и вечером того же дня представил Французской академии карту погоды на 10 часов утра! Это была первая в истории оперативная карта погоды. Теперь такие карты мы называем синоптическими – они позволяют одновременно обозреть погоду на больших пространствах. На карте Леверье можно было видеть области сильных ветров, дождей, опасных атмосферных явлений, а две карты за разное время наблюдений давали представление о том, куда эти области движутся. Это была уже настоящая научная основа для развития методов прогноза погоды.
Русская наука тоже шла вперед. Первая синоптическая карта в России была составлена в 1872 года в Главной физической обсерватории в Петербурге. Карта стала составной частью Ежедневного бюллетеня погоды, и с этого момента в России начала постоянно действовать Служба погоды. Организация Службы погоды, выпуск ежедневного бюллетеня и составление штормовых предупреждений – заслуга моряка по профессии и метеоролога по призванию
М.А. Рыкачёва. Синоптическая карта позволяла увидеть циклоны и антициклоны, которые управляют погодой, но рассчитать их движение на будущее первые синоптики могли лишь приблизительно. Отсюда и невысокая точность прогнозов погоды в то время.
Рис.4. Михаил Александрович Рыкачев
Так, в 1877 году правильный прогноз содержался в 62% всех оповещений о штормах, разосланных русской прогностической службой. Надо сказать, что такой процент был характерен в то время для всех стран, где метеорология активно развивалась. Чтобы научиться точно предсказывать погоду, одной синоптической карты было мало – предстояло узнать, как устроена атмосфера и какие физические законы управляют ее движениями. Задача эта оказалась очень сложной.
В 1888 году Г. Гельмгольц сформулировал фундаментальные законы движения воздуха, необходимые для описания атмосферных процессов. Эти математические законы представляли собой систему гидродинамических и термодинамических уравнений. В конце XIX века В. Бьеркнес высказал идею, что погода может быть предвычислена количественно с помощью этих уравнений на основе тщательного анализа первоначального состояния атмосферы.
Идея Бьеркнеса вдохновила известного математика и метеоролога
Л. Ричардсона, и он предпринял попытку предвычислить погоду с помощью уравнений. Результаты его трудов были опубликованы в 1922 году. На основании этих результатов был сделан вывод о бесперспективности предвычисления погоды и не столько из-за плохого их качества, сколько из-за необходимости производства огромного объема вычислений. Ричардсон подсчитал, что для получения одного прогноза на сутки потребуется 64 тысячи человек. Вследствие такой бесперспективности численного прогнозирования развитие прогностической метеорологии в 20-30-е годы прошлого столетия пошло главным образом по пути создания физических моделей, описывающих структуру и эволюцию погодных систем, и установления закономерностей в общей циркуляции атмосферы.
Крупный вклад в решение проблемы прогноза погоды внесли известные ученые Норвежской школы Бьеркнес, Сульберг и Бержерон, а в России – С.П. Хромов. Ими был разработан фронтологический метод синоптических прогнозов. Созданные к этому времени во многих странах сети метеорологических наблюдений позволили метеорологам постоянно следить за состоянием погоды, составлять синоптические карты (карты погоды), выделять на них циклоны и антициклоны, определять границы воздушных масс и, используя установленные к тому времени научные закономерности, составлять прогнозы.
Изобретение П.А. Молчановым радиозонда в 1930 году открыло новую эпоху в развитии синоптической метеорологии. Изучение вертикального строения атмосферы стало возможным не косвенными методами (по данным наземных наблюдений), а по результатам радиозондирования атмосферы. Была создана сеть аэрологических станций и началось составление первых карт барической топографии в научных целях. Метеорологи получили третье измерение метеорологических величин в пространстве – высоту, что стимулировало как синоптические исследования, так и разработку гидродинамических моделей общей циркуляции атмосферы.
Рис.5. Современные карты погоды
Первый практически приемлемый подход к решению проблемы гидродинамического прогноза был реализован в СССР в 1940 году И.А. Кибелем. Однако применять в оперативной практике гидродинамические модели и развивать их стало возможным только после появления электронно-вычислительных машин, после чего численные методы стали быстро развиваться.
Современные численные модели позволяют с достаточной степенью точности прогнозировать значения многих метеорологических величин (давления, температуры, ветра и облачности) для определенных точек географической сетки. Прогноз конкретных значений метеорологических величин в конкретном месте (городе или районе) подготавливают синоптики, руководствуясь выходными данными численных моделей и используя метеорологические данные и методики, учитывающие развитие процессов на всех уровнях. Существенное улучшение прогнозирования связано с широким использованием данных, поступающих с искусственных спутников Земли.
Эта информация внесла огромный вклад как в более глубокое понимание погодообразующих факторов, так и в значительное повышение информативности о текущем состоянии атмосферы, особенно в районах, где данные наблюдений редки или отсутствуют вообще. Совместное усвоение обычной и спутниковой информации численными моделями способствовало повышению качества прогнозов.
Сегодня по всей планете ежедневно и ежечасно собираются миллиарды метеорологических данных, зарегистрированных наземными метеорологическими станциями, метеозондами, океанскими буями и метеорологическими спутниками. Весь этот поток погодных данных направляется в центры обработки метеорологической информации, оснащенные, как правило, самыми современными компьютерами, так как прогноз на завтра нужен уже сейчас, а не завтра или через неделю.
Мощности суперкомпьютеров растут, и с большой уверенностью можно сказать, что они будут находить свое применение в метеорологии. Все новые инструменты для наблюдения за погодой выводятся в космос, растет сеть метеорадаров. Развивается новое направление в прогнозировании погоды – наукастинг, позволяющий выпускать сверхкраткосрочный прогноз об опасных явлениях погоды на ближайшие несколько часов.
Паращук Л.Н.,
Шпак Д.В.,
служба метеорологических прогнозов
Специализированные сайты и сайты филиалов
Информационные интернет-порталы
Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь
Интернет-портал Президента Республики Беларусь
Национальный правовой Интернет-портал Республики Беларусь
Межгосударственный совет по гидрометеорологии СНГ (МСГ СНГ)
Комитет Союзного государства по гидрометеорологии и мониторингу загрязнения природной среды
Национальный центр интеллектуальной собственности
Портал рейтинговой оценки качества оказания услуг организациями Республики Беларусь
Биометрические документы Республики Беларусь
Белорусский профсоюз работников леса и природопользования
Минская областная организация Белорусского профсоюза работников леса и природопользовани
Официальные геральдические символы Республики Беларусь