Проверка прогноза погоды перед выходом из дома — неотъемлемая часть нашего быта. Есть ли вероятность застрять в автомобильной пробке из-за вьюги и нужно ли брать зонт на прогулку — на эти вопросы отвечает комплексная наука метеорология, а именно ее направление, посвященное анализу погоды, — синоптика. Помимо этого, метеорологические исследования включают изучение климата, солнечной и земной радиации, атмосферного электричества и многого другого. Во Всемирный метеорологический день погружаемся в историю развития российских метеорологических наблюдений от первых замеров до современных инноваций.
Барометр — известный инструмент метеорологов, применявшийся еще в далеком прошлом.
Фото: Sch / Wikimedia Commons
Пять столетий изысканий
Первые метеонаблюдения стали вестись в России в конце XVII в. по приказу царя Алексея Михайловича. Сведения о погоде заносились в журнал Тайного приказа: «Декабрь. Сегодня день был дурен, а вечер тепл, как в сентябре». Веком ранее летописцы собрали в Русском хронографе данные об экстремальных явлениях природы за 15 столетий.
Систематические метеонаблюдения в России начались 10 апреля 1722 г. по указу Петра I. Первый инструментальный анализ погоды при помощи барометра и термометра провел 1 декабря 1725 г. в Санкт-Петербурге академик Фридрих Майер.
В 1834 г. император Николай I издал резолюцию об организации сети регулярных метеорологических и магнитных наблюдений в России. В стране впервые появилась система, позволившая руководить всеми метеонаблюдениями страны по единым методикам.
В 1849 г. была создана Главная физическая обсерватория (сегодня — Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова), которая долгое время оставалась основным научным центром гидрометеорологической службы России. Здесь готовили «Ежегодный метеорологический бюллетень» и составляли прогнозы погоды.
Почтовая марка к 50-летию Гидрометеорологической службы СССР.
Фото: USSR Post / Wikimedia Commons
Современная метеослужба страны родилась 21 июня 1921 г. с подписанием декрета Совета народных комиссаров «Об организации единой метеорологической службы в РСФСР». 1 января 1930 г. было учреждено Центральное бюро погоды СССР. В 1936 г. оно было реорганизовано в Центральный институт погоды, в 1943 г. — в Центральный институт прогнозов. Здесь велись основные исследования и разработки в области гидрометеорологических прогнозов.
В 1964 г. в Советском Союзе был создан Мировой метеорологический центр Главного управления гидрометеорологической службы. В конце 1965 г. он был объединен с Центральным институтом прогнозов в Гидрометеорологический научно-исследовательский центр СССР. В 1992 г. Гидрометцентр СССР был переименован в Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации (Гидрометцентр России). В 1994 г. он получил статус Государственного научного центра Российской Федерации.
Гидрометцентр — лидер в области развития важнейших аспектов гидрометеорологии в стране. Помимо наблюдений за погодой, он изучает воды суши и океанов, занимается морской метеорологией, прогнозирует урожайность сельхозкультур и выпускает специализированную продукцию.
В погоне за точностью
В современной России за метеонаблюдения отвечает сложная система. Основная информация поступает со спутников. Данные с орбиты дополняют показания метеостанций, зондов и радаров. Часть наблюдений ведутся с самолетов и кораблей.
Основную информацию для современных метеорологов поставляют космические спутники.
Источник изображения: abidal / фотобанк 123RF
Метеостанции — площадки, на которых установлены приборы для анализа погоды и климата: термометры, барометры, гигрометры, осадкомеры и другие инструменты. Устройство метеостанций одинаково для всех стран. Чтобы снимаемые показатели были максимально точными, метеорологи фиксируют их каждые три часа.
Метеостанция.
Фото: Markus Schweiss / Wikimedia Commons
Метеозонды — небольшие контейнеры с измерительными приборами, которые крепятся на резиновые или пластиковые шары с гелием и поднимаются на высоту 3040 км. Эти инструменты одноразовые: когда шары взлетают слишком высоко, они лопаются от избыточного давления. Метеозонды запускаются дважды в день: обычно в 00:00 и 12:00 по всемирному координированному времени (UTC).
Метеорадары позволяют синоптикам отслеживать осадки и определять их особенности. Радары современного типа делают 3D-снимок атмосферы в радиусе 200 250 км каждые 10 мин. В России метеорадары пока находятся только в европейской части страны, а также во Владивостоке, Новосибирске и Барабинске.
Ценный источник информации о погоде — любительские метеостанции: несмотря на меньшую точность, они дополняют «официальные» измерения, повышая качество итогового прогноза. Как сообщил в статье для Forbes руководитель сервиса «Яндекс.Погода» кандидат физико-математических наук Александр Викторович Ганьшин, синоптики также могут собирать данные о погоде при помощи систем, которые опосредованно передают информацию об окружающей среде: автомобильных датчиков, сетей Wi-Fi, сотовой связи, спутникового телевидения, камер наблюдения.
От суперкомпьютера до нейросетей
Чтобы обрабатывать огромный поток информации о погоде, в центрах обработки метеорологической информации установлены суперкомпьютеры. В 2018 г. в Гидрометцентре России приступил к работе новый вычислительный кластер на базе суперкомпьютера XC40-LC, занявший второе место среди 50 мощнейших вычислительных установок своего рода после системы «Ломоносов-2» в МГУ им. М.В. Ломоносова. Благодаря новинке вычислительная мощность суперкомпьютерной системы Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромета) выросла более чем в 30 раз!
Для обработки информации метеорологические центры всего мира используют суперкомпьютеры.
Фото: rorozoa / фотобанк Freepik
Важный инструмент метеорологических исследований современности — математические модели прогнозирования погоды. В 2010 г. Гидрометцентр начал использовать российскую глобальную модель ПЛАВ (англ. SLAV), разработанную совместно с Институтом вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН. Технология позволяет составлять оперативный прогноз погоды для разных регионов по основным параметрам, включая влажность, осадки, приземную температуру, давление на уровне моря. Максимальная заблаговременность прогноза модели — 120 ч.
В феврале 2024 г. старший научный сотрудник Института вычислительной математики РАН, сотрудник Гидрометцентра Ростислав Юрьевич Фадеев создал новую модель для прогнозирования погоды, объединив мощности ПЛАВ, европейской океанической модели NEMO и модели SI3 для предсказания состояния морского льда. Система получила имя SLNE по первым буквам названий моделей, легших в ее основу. Технология была испытана на суперкомпьютере Главного вычислительного центра Госгидромета.
Важный инструмент метеорологических исследований — математические модели прогнозирования погоды.
Источник изображения: abidal / фотобанк 123RF
«Ключевой вызов этой работы — получение согласованного с наблюдениями результата моделирования за приемлемое время. Прогноз погоды должен быть своевременным, поэтому необходимо отладить модель таким образом, чтобы она работала и качественно, и быстро», — подчеркнул Р.Ю. Фадеев.
SLNE с высокой детализацией охватывает основные составляющие климатической системы: атмосферу, океан, морской лед. Благодаря учету разноплановых данных система может прогнозировать погодные аномалии с заблаговременностью до полугода.
К прогнозированию погоды активно привлекается искусственный интеллект (ИИ). Яркий пример — нейросеть Meteum, лежащая в основе российского сервиса «Яндекс.Погода». Чтобы подготовить прогноз, Meteum сопоставляет данные пяти метеомоделей: американской, канадской, японской, европейской и собственной программы «Яндекса». Нейросеть также учитывает показания радаров, спутниковые снимки и дополнительные факторы: например, высоту солнца над горизонтом и расстояние до водоема. Качество прогноза улучшает обратная связь: сервис «Яндекс.Погода» и приложение «Яндекс» периодически «интересуются» у клиентов, не идет ли дождь в их регионе. Взаимодействие с пользователями на 20% повысило точность краткосрочного прогноза осадков Meteum в российских регионах, где нет метеорадаров.
В 2023 г. стало известно, что эксперты Арктического и антарктического научно-исследовательского института Росгидромета (ААНИИ) вместе с коллегами из Беларуси собираются создать систему на базе ИИ для долгосрочного прогнозирования изменения климата. Предполагается, что система сможет предсказывать погоду на территории Союзного государства с заблаговременностью до 20 лет. Как отметил в беседе с ТАСС научный сотрудник ААНИИ, доктор физико-математических наук Сергей Анатольевич Солдатенко, подготовка прогнозов на годы вперед осложняется высокой долей неопределенности из-за непредсказуемых изменений климата. Использование искусственного интеллекта должно решить эту проблему.
ИИ способен не только готовить, но и улучшать прогнозы погоды. В 2023 г. команда студентов НИТУ МИСИС была удостоена первого места на хакатоне «Цифровой прорыв. Сезон: искусственный интеллект» за разработку программы для коррекции прогнозов погоды модели WRF (Weather Research and Forecasting Model, «Модель для исследования и прогнозирования погоды»). В основу уникального алгоритма легли две нейросети ― UNet и Transformer Encoder. Программа помогла улучшить точность предсказаний направления ветра и температуры.
Не стоят на месте и спутниковые технологии. В феврале 2023 г. на орбиту вышел четвертый российский гидрометеорологический спутник «Электро-Л». На основе спутников этой серии действует геостационарная гидрометеорологическая система «Электро», поставляющая данные для Росгидромета, Министерства природы РФ, РАН и МЧС. Спутники «Электро-Л» ведут многоспектральную съемку планеты в видимом и инфракрасном диапазонах и собирают данные автономных метеоплатформ, помогая наблюдать за облачностью, отслеживать чрезвычайные ситуации и анализировать условия авиаперелетов. Как сообщил ТАСС руководитель Росгидромета Игорь Анатольевич Шумаков, запуск «Электро-Л» № 4 позволил отечественным метеорологам «полностью отказаться от <…> импортной информации».
Геостационарный спутник ― спутник, скорость вращения которого по орбите совпадает со скоростью обращения планеты вокруг своей оси, благодаря чему аппарат в любое время суток находится над одной точкой поверхности Земли.
Важный метеорологический проект России ― орбитальная группировка космических аппаратов «Арктика-М». Два из них уже были запущены в 2021 и 2023 гг. Новая система позволяет впервые в мире детально исследовать метеорологические параметры (ветер, температуру, влажность, ледовую обстановку на морях, содержание озона в атмосфере) и состояние ионосферы на территориях выше 60° с.ш., включая Арктику и Сибирь. Помимо изучения Севера, аппараты «Арктика-М» предназначены для наблюдения за солнечной активностью.
Макет спутника «Арктика-М» на выставке «Армия-2023».
Фото: Vsatinet / Wikimedia Commons
«Получаемая с “Арктики” информация уникальна. Теперь у нас появилась возможность наблюдать все полярные районы с периодичностью 15 минут, ничего подобного раньше не было», — подчеркнул главный конструктор направления холдинга «Российские космические системы» госкорпорации «Роскосмос» Юрий Михайлович Гектин.
Данные, получаемые со спутников «Арктика-М», помогают повышать качество метеопрогнозов по всему Северному полушарию.
«Климат Земли зависит от погоды в Арктике. Движение льдов, изменение снежного покрова, параметры арктических ветров — впервые в мире “Арктика-М” получила эти данные, необходимые для построения климатической карты нашей планеты, создания глобальных моделей, определяющих развитие климата», — отметил Ю.М. Гектин.
Инновации и вызовы
О развитии российской метеорологии рассказал «Научной России» заместитель руководителя Росгидромета Владимир Владимирович Соколов.
«В прошлом году “Роскосмосом” по заказу Росгидромета было запущено четыре космических аппарата метеорологического назначения: “Электро”, “Метеор”, “Кондор” и “Арктика-М” №2. Теперь мы каждые 15 минут получаем бесшовные высококачественные многоспектральные снимки территории всей страны, показывающие опасные природные явления, состояние снежного и ледового покровов, температуру поверхности, радиационную обстановку, распределение озона и другие данные», — поделился эксперт.
«Численные прогностические технологии постоянно совершенствуются Гидрометцентром России, в частности создаются системы бесшовного прогнозирования: от часовых до сезонных прогнозов и климатических оценок. В настоящее время для обычных пользователей на практике имеют хорошие результаты детерминированные прогнозы погоды на 5–7 суток, результаты которых представлены на различных общедоступных ресурсах. Этот временной предел постепенно отодвигается, благодаря развитию средств наблюдения, обработки полученной информации, IT-технологий, знаний о процессах, происходящих в системе “Земля”, и включения их в модель. Но и он ограничен теоретическим пределом предсказуемости — двумя неделями. На более далекие сроки даются прогнозы в вероятностной форме, которые интересны органам власти и отраслям экономики», — пояснил В.В. Соколов, подчеркнув, что Росгидромет активно использует в работе самые современные технологии.
«Региональные модели высокого разрешения успешно прогнозируют опасные явления погоды. На основе веб-технологий создана система наукастинга — прогноза интенсивности осадков на два часа, охватывающая европейскую часть страны, — сообщил специалист. — Хорошо себя зарекомендовала также система “Метеопредупреждения”, имеющая визуальные формы прогноза, детализированные по времени и пространству, которые просты для восприятия населением. Искусственный интеллект применяется на некоторых этапах технологии прогнозирования, таких как усвоение данных наблюдений и обработка выходной продукции численных моделей».
Важное предназначение метеорологии — обеспечение безопасности авиаперелетов.
Фото: volff / фотобанк 123RF
В связи с нестабильной геополитической обстановкой в марте 2022 г. Россия перестала получать информацию Всемирной системы зональных прогнозов SADIS (Secure Aviation Data Information Service, «Информационная служба по обеспечению данных для безопасной авиации»). Но отечественные метеорологи успешно преодолевают возникшие препятствия.
«Когда в нашу страну прекратилось поступление информации Всемирной системы зональных прогнозов, Гидрометцентр России оказался единственным источником информации о погодных условиях по маршрутам перелетов для отечественной авиации. Сверхоперативно, в течение нескольких дней общими усилиями синоптиков, программистов, научных сотрудников была введена в эксплуатацию российская автономная система зональных прогнозов, продолжились выпуск карт особых явлений и формирование необходимых полей метеорологических параметров на различных эшелонах полета, — объяснил В.В. Соколов. — Что касается использования метеорологической информации с европейских метеоспутников, то сотрудничество с европейскими коллегами свелось к минимуму. Прогностические данные восполняем благодаря “Роскосмосу” и Федеральной космической программе. В ближайшем будущем мы сможем полностью отказаться от применения в своей работе сведений системы EUMETSAT».
Еще один актуальный вызов для российских метеорологов — глобальное изменение климата.
«Меняются погодные климатические процессы, увеличивается число опасных природных явлений. Это сильные осадки, ураганные ветры, засухи и так далее. Число этих явлений увеличивается и будет расти в ближайшие десятилетия. Изменение климата ставит новые задачи по наблюдению и пониманию этих процессов», — отметил В.В. Соколов. Эксперт выделил несколько актуальных аспектов работы Росгидромета в этом направлении.
Территория России отличается обширными «запасами» многолетней мерзлоты. Карьер кимберлитовой трубки «Удачная».
Фото: Хакимов Хабир, my father / Wikimedia Commons
«Две трети нашей страны занимают районы вечной мерзлоты. И, безусловно, под влиянием всеобщего потепления она будет деградировать. Это может быть опасно для строений, коммуникаций и комфортного проживания людей. Чтобы понимать, что происходит на глубине, и предупреждать последствия для социальной и экономической инфраструктуры, Росгидромет запустил государственную систему фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты. За три года будет размещено 140 станций, данные которых будут поступать ученым для последующего анализа.
Научно-исследовательские институты — Главная геофизическая обсерватория Росгидромета и Институт вычислительной математики РАН — уже работают над сценарными прогнозами изменения климата по каждому региону. Эта информация необходима при планировании строительства и проведении ремонта различных объектов.
Наши ученые реализуют важнейший инновационный проект государственного значения “Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ”, в рамках которого разрабатываются меры по смягчению последствий изменений климата, адаптации к ним населения и экономики Российской Федерации, снижению негативного воздействия на климатическую систему», — рассказал В.В. Соколов.
Российская метеослужба — система с древней историей и впечатляющими достижениями. Пожелаем плодотворной работы тем, кто делает нашу жизнь проще, а погоду и климат нашего будущего — более понятными и предсказуемыми.
Источники
Комментарий В.В. Соколова (предоставлен пресс-службой Росгидромета)
«РИА Новости». История метеорологических наблюдений в России. Справка
Ярославский ЦГМС. История развития метеорологии
«РБК Тренды». Ольга Сабурова. Как синоптики делают прогноз погоды, и почему он не всегда точный
Гидрометцентр России. О Гидрометцентре
«Яндекс». Как «Яндекс» прогнозирует погоду
«РБК». Анна Гальчева, Артем Кореняко, Иван Ткачев (при участии Яны Башировой, Виктории Хабаровой, Тимофея Дзядко). Власти раскрыли бюджет собственной системы метеопрогнозов для авиарейсов
Росгидромет. Пресс-конференция к представлению суперкомпьютера Росгидромета
Российский научный фонд. Новая модель позволит прогнозировать погоду с заблаговременностью до полугода
Forbes. Александр Ганьшин. Как прогнозирование погоды влияет на жизнь граждан
ТАСС. Ученые РФ и Белоруссии создадут систему прогноза погоды на базе искусственного интеллекта
НИТУ МИСИС. Студенты НИТУ МИСИС предложили алгоритм повышения точности прогноза погоды
Блог Яндекса. Meteum 2.0, или Почему «Яндекс.Погода» спрашивает вас о дожде
«Аргументы и факты». Екатерина Шевалье. Как предсказывают погоду в России? Инфографика
Институт вычислительной математики РАН. Лаборатория численного прогноза погоды. Модель ПЛАВ
ТАСС. В России в 2023 г. планируют запустить еще шесть метеоспутников
Госкорпорация «Роскосмос». Спутник «Арктика-М» выведен на целевую орбиту
Госкорпорация «Роскосмос». «Арктика-М» и первые открытия
Гидрометцентр России. Первые изображения Земли с космического аппарата «Арктика-М» №1
Источник изображения на превью: macrovector / фотобанк Freepik
Источник изображения на главной странице: macrovector / фотобанк Freepik
Источники изображений в тексте: Sch / Wikimedia Commons, USSR Post / Wikimedia Commons, abidal / фотобанк 123RF, Markus Schweiss / Wikimedia Commons, rorozoa / фотобанк Freepik, abidal / фотобанк 123RF, Vsatinet / Wikimedia Commons, volff / фотобанк 123RF, Хакимов Хабир, my father / Wikimedia Commons.