Решаемые при прогнозе погоды уравнения относятся к наиболее сложным в гидродинамике. В комплекс прогностических уравнений входят уравнения, описывающие законы сохранения массы, энергии и количества движения, т. е. уравнение неразрывности, уравнение движения, уравнение сохранения энергии. Для полного описания реальной атмосферы здесь недостает учета увлажненности, запыленности, турбулентности и др. При решении системы уравнений приходится прибегать к упрощениям. В частности, в уравнении притока тепла не учитывают приток тепла извне, а ограничиваются предположением, что в короткие отрезки времени процессы развиваются по адиабатическому закону и т. п.
Для каждого конкретного прогноза записывается система уравнений, причем производятся некоторые упрощения применительно к поставленной задаче. В уравнениях оставляются только главные члены, а второстепенные из рассмотрения исключаются. Решением уравнений находятся такие неизвестные, как будущие значения полей давления, температуры, скорости ветра. Для этого задается начальное состояние атмосферы, т. е. поля тех же элементов (давления, температуры, скорости).
Решение системы прогностических уравнений до появления вычислительной техники практически было невозможно ввиду неимоверно большого количества вычислений. Например, для прогноза погоды на ближайшие сутки потребовалась бы работа нескольких тысяч вычислителей в течение суток.
Зарождение современных принципов численного метода прогноза погоды можно отнести к началу 20-х годов. В 1922 г. английским математиком П, Ричардсоном была сделана первая попытка расчета изменения атмосферного давления за шестичасовой период. Идея заключалась в применении астрономических методов расчета к метеорологии, хотя было очевидно, что астрономии присущи простые механические зависимости, а метеорологии — законы динамики и термодинамики. И не удивительно, что рассчитанный с большими трудностями пример оказался неудачным. Но принятый принцип расчета изменения поля давления по шагам, т. е. последовательно через малые промежутки времени, лег в основу современных численных методов прогноза погоды.
Смысл расчета по шагам заключается в следующем. Необходимо, например, рассчитать поле давления на 24 часа вперед. Для этого имеются данные об исходном поле давления и о барической тенденции, т. е. об изменениях давления в различных частях взятого поля за последние 3 часа. Если, исходя из величины тенденции, рассчитать будущее поле давления сразу на 24 часа, то можно совершить грубые ошибки, так как изменение поля давления протекает не с постоянной скоростью. Поэтому промежуток 24 часа разбивается на малые отрезки времени (например, по 2 часа) и последовательно производится расчет ожидаемого поля давления сначала на первые 2 часа; затем по полученной прогностической карте давления расчет ведется на следующие 2 часа и т. д. В итоге на последней прогностической карте давления (после 12 предвычисленных промежуточных карт) оказываются учтенными все возможные изменения барического поля. Хотя эти изменения учитываются с приближением, все же при расчете промежуточных карт исключаются грубые ошибки.
Применяющиеся в настоящее время быстродействующие электронные вычислительные машины производят миллионы необходимых арифметических действий за несколько минут. Но до 50-х годов метеорологи не располагали такими машинами, а следовательно, и мечтать не могли о таком невероятно большом объеме вычислений.
После неудачи Ричардсона было мало попыток расчета поля давления с суточной заблаговременностью. Первая попытка решения задачи численного прогноза полей давления и температуры была предпринята в Главной геофизической обсерватории в 1940 г. Здесь И. А. Кибель избрал путь упрощенного решения исходных уравнений гидродинамики без применения последовательных (по шагам) вычислений. Основной недостаток так называемого первого приближения этой теории состоял в том, что исходные поля давления и температуры переносились по среднему потоку на 12 или 24 часа без учета их эволюции. При этом расчеты велись только ручным способом.
В последующем в разных странах были предприняты попытки более полного решения уравнений гидродинамики, с учетом влияния отклонения ветра от геострофического. Иначе говоря, современные численные методы прогноза поля атмосферного давления основываются на иных началах.
В конце 50-х и в начале 60-х годов успехи численных методов прогноза постепенно стали ощутимы. Быстродействующие электронные вычислительные машины в течение нескольких минут позволяют построить прогностические карты барической топографии для ряда поверхностей и тем самым по исходным данным дают возможность определить будущее положение циклона и антициклона, направление и скорость ветра на различных высотах. Вычисляется и поле давления у поверхности земли. Кроме того, вычисляются карты вертикальных токов воздуха, позволяющие определить районы формирования облачности и возможных осадков.
Полученные результаты показали, что за последние 3—4 года вычисленные с помощью машин карты барической топографии не только не уступают тем, которые до этого составлялись синоптиками, но и несколько превосходят их по точности. Однако прогноз многих элементов погоды еще не настолько разработан, чтобы использовать электронную вычислительную технику. Кроме того, для новых задач и сами машины должны иметь большую память и совершать большее количество операций в секунду, чем ныне существующие. Численные методы прогноза погоды продолжают успешно развиваться. Прошло всего 10—15 лет, как электронные вычислительные машины стали использоваться для целей прогноза погоды, но за этот небольшой промежуток времени численные методы прочно утвердились как в нашей стране, так и в других странах (США, Швеция, Япония, Англия и др.).
Успехи численных методов прогноза явились заметным подспорьем, облегчили в известной мере труд синоптика. Они существенно помогают синоптику, показывая общую картину ожидаемого изменения поля давления на ближайшие сутки.
Автоматизация работы службы погоды. Одновременно с развитием численных методов прогноза погоды предпринимаются практические шаги и интересные исследования к автоматизации работы всей метеорологической службы. Идея состоит в том, чтобы все операции, начиная от метеорологических и аэрологических наблюдений и кончая предвычислением погоды, были бы автоматизированы. Иначе говоря, должны быть автоматизированы наблюдения, составление и передачи телеграмм в Главный радиометеорологический центр, ввод данных в машины, наноска карт, предвычисление карт различных метеорологических элементов и погоды.
Как уже говорилось, в республиках Советского Союза и многих областных центрах существуют бюро погоды и гидрометбюро, где по радио и телеграфу несколько раз в день принимаются метеорологические сводки — информации. Затем вручную составляется серия приземных и высотных карт погоды, производится их анализ и дается прогноз погоды по республике или области.
Сейчас предпринимаются шаги к рационализации всей этой работы, которая организована следующим образом. Метеорологическая информация поступает в Главный радиометеорологический центр (Москва), где данные наблюдений обрабатываются, наносятся соответственно на приземные и высотные карты погоды и подвергаются синоптическому анализу. Затем готовые карты по факсимильной связи передаются в республиканские и областные бюро погоды, где они служат основой для составления прогнозов погоды своего района. Эта работа уже начата, и рационализация постепенно осуществляется.
Рационализация работы Службы погоды позволит лучше использовать и результаты численных методов прогнозов, так как по факсимильной связи будут передаваться прогностические карты барической топографии, а также карты других метеорологических элементов.
—Источник—
Погосян, Х.П. Атмосфера Земли/ Х.П. Погосян [и д.р.]. – М.: Просвещение, 1970.- 318 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
