Наука, мистецтво і краплина магії:
як створюють прогноз погоди в Києві
Як метеорологи викликають дощ та передбачають блискавки, навіщо їм вміти малювати та кодити? До якого прогнозу потрібно ставитись скептично,та чому температура, яка відчувається, не співпадає з реальною? Навіщо страхові агенти звертаються до метеорологів та чи можуть їх замінити машини?
Ми звикли легко дізнаватися про зміну погоди, можливі грози, дощі чи снігопади — потрібно лише взяти гаджет та тицьнути на одну іконку. Та щоб ці два-три рядки інформації з'явились на екрані вашого смартфону, цілі масиви даних з космосу та Землі пройшли довгий шлях кодувань, обчислень та обробки нашими метеорологами.
Віталій Шпиг
Ми поговорили з завідувачем відділу фізики атмосфери Українського гідрометеорологічного інституту (УкрГМІ) Віталієм Шпигом і дізнались, як створюється прогноз погоди.

Майже всі країни світу мають національні гідрометеорологічні служби або агенції з прогнозу погоди. До 2010 року в Україні також існувала своя служба у складі Міністерства з надзвичайних ситуацій. Після реорганізації замість міністерства з'явилась Державна служба, у складі якої знаходиться і Укргідрометцентр, і УкрГМІ. Перший забезпечує населення та центральні органи виконавчої влади прогностичною інформацією по всій території країни та здійснює моніторинг якості спостережень, другий — проводить наукові дослідження та розвиває гідрометеорологічну науку. Окрім Укргідрометцентру, в кожній області є власний центр з гідрометеорології. В Одеській області цю функцію виконує Гідрометцентр Чорного та Азовського морів.
Прогноз із космосута Землі
Хоч технології розвиваються швидко, прогнозування погоди залишається складним процесом. Спочатку потрібно отримати дані — для цього використовують супутники, наземні спостереження та різні прилади.
Cупутники
— У світі дані штучних супутників для прогнозування погоди почали використовувати ще 60 років тому. За їх допомогою можна визначити особливості хмарного покриву та його переміщення до 12 годин наперед, виміряти вертикальні профілі температури, атмосферного тиску, вологості повітря. Та це неможливо зробити, якщо над певною територією розвивається конвективна хмарність, тобто купчасто-дощові хмари, проходження яких супроводжується зливою, градом та блискавками.
У інституті є Лабораторія супутникових досліджень, яка співпрацює з Європейською організацією з експлуатації метеорологічних супутників (EUMETSAT). Наш інститут разом з Укргідрометцентром і EUMETSAT уклали тристоронній договір для створення мережі прийому супутникових даних і в Україні. Зараз у країні шість таких станцій прийому, більшість супутникових зображень оновлюється кожні 10 хвилин. Наша країна стала представником EUMETSAT в Східній Європі, — розказує Віталій.
Наземні прилади
Та супутникових даних недостатньо для синоптиків, робота є і на гідрометеорологічних станціях, в яких дані отримують за допомогою різних наземних приладів чи візуально:

— Метеорологічні станції розташовані в межах населених пунктів. Поруч з інститутом на Багриновій горі знаходиться центральна площадка об'єднаної гідрометеорологічноїстанції «Київ», вона була побудована в кінці 19 століття. Також є гідрологічні пости, на яких вимірюється рівень води та температура в Дніпрі.
Основні величини — температура повітря, характеристики вологості, атмосферний тиск, швидкість і напрям вітру визначаються інструментально, тобто метеорологу-техніку необхідно точно зняти показники із приладів спостереження — це не вища математика, потрібна лише уважність і добросовісність. Опади теж вимірюються за допомогою приладу — опадоміра, ним користуватися дещо складніше. Найвідповідальніше, мабуть, для метеоролога — це визначати тип хмар, їх різновиди, бальність і ступінь покриття небосхилу. В метеорології залишилось багато явищ, які фіксуються спостерігачем візуально— гроза, град, хуртовина.

Якщо трапляються помилки в спостереженнях, то частіше це через людський фактор, а не через несправність приладу. Недостатнє фінансування галузі призводить до відтоку професійних кадрів. Особливо гостро це відчувається на провінційних метеостанціях. Молодь, яка закінчує спеціалізований вуз, там не затримується, є й проблеми із технічним оснащенням і переоснащенням.

Центральна геофізична обсерваторія в Києві здійснює контроль якості спостереження. Всі прилади через певний проміжок часу проходять перевірку — для цього їх привозять до Києва і звіряють з еталонним приладом.

Наземні спостереження по всьому світу проводять вісім разів на добу — кожні три години за Гринвічем, незалежно від місцевого часу. Потім ця інформація наноситься на карти, за допомогою яких синоптики «здійснюють свою магію», — розповідає Віталій.
Аерологічне зондування
— В Україні є сім пунктів аерологічного зондування. Вони розташовані поруч із звичайними метеорологічними майданчиками. Щоб отримати дані, запускається повітряна куля, до якої прикріплюється коробка із пінопласту з двома датчиками —температури та вологості. Дані, які отримують за допомогою такого радіозонду точніші, ніж супутникові, коли мова йде про метеорологічні величини. Та у цих приладів також є обмеження — при великих від'ємних температурах, наприклад менше ніж -20°С, характеристики вологості даються з великими похибками.
Щоб результати таких зондувань були інформативніші та ефективніші, кулю потрібно запускати мінімум двічі на добу, та цього мінімуму, на жаль, додержуються лише в Києві, — пояснює метеоролог.
Радіолокатори та станції грозопеленгації
— У Борисполі і Запоріжжі є метеорологічні радіолокатори, за допомогою яких отримується інформація про хмарність і явища, що з нею пов'язані — дощ, гроза, град, — розповідає вчений.

2016 року інститут почав співпрацювати з американською компанією EarthNetwork, і в країні встановили станції грозопеленгації, які дозволяють моніторити на території України розряди блискавок. Щоб дізнатися, як передбачають блискавку, ми зайшли в Лабораторію супутникових досліджень, де працюють Олександр та Олексій.
Зліва направо:
Кривошеїн Олексаксандр,
Кривобок Олексій - працівники Лабораторії супутникових досліджень,
Віталій Шпиг - завідувач відділу фізики атмосфери УкрГМІ
На моніторі — карта України з жовтими та рожевими блискавками. Рожеві — це розряди всередині хмари, жовті — із хмари в землю. Прилади дозволяють їх фіксувати з точністю 200 метрів майже на всій території країни. Є можливість на 30-40 хвилин наперед давати прогноз руху грозового осередку. За допомогою програми можна попереджати людей, в які місця вдарить блискавка, щоб вони тримались від них подалі.

Також це допоможе в роботі страховим компаніям. Олександр розказав про один з таких випадків:

— Приходит фермер в страховую компанию и просит страховку, потому что молния ударила в его поле и сожгла культуру. Но компании нужно знать, не поджег ли фермер свое поле сам, чтобы получить выплаты. Тогда страховые агенты обращаются к нам, ведь мы можем определить,была ли на том поле молния, или человек все выдумал.
На території України знаходяться
156
стаціонарних метеорологічних станцій
7
аерологічних станцій
6
точок прийому
супутникової інформації
Час малювати та кодити
Отримані із супутників та приладів дані не дають синоптикам готового прогнозу — над ним ще потрібно попрацювати. Є три групи методів прогнозу погоди: синоптичний (класичний), статистичний та чисельний (гідродинамічний). Крім того, явища можна прогнозувати за допомогою фізико-статистичних методів. Для кожної із цих груп методів використовують різні дані спостережень, і результат вони дають на різні проміжки часу.

— У синоптичному прогнозуванні є елемент певного мистецтва, потрібні не тільки знання, але й чуття. Для цього синоптики використовують аналіз карт погоди, суть якого полягає в одночасному огляду стану атмосфери на великій території. Це дозволяє визначити характер розвитку атмосферних процесів і подальші зміни погодних умов у регіоні, який цікавить. Наприклад, якщо в районі Житомира чи Вінниці об 11 ранку проходить атмосферний фронт із грозою та опадами, швидкість переміщення якого становить 35 км/год, то синоптик може сказати, що в Києві гроза з дощем буде після обіду. Насправді прогнозування погоди із використанням синоптичних методів — це знання математики, географії місцевості та великої кількості емпіричних правил, які одержувалися протягом багатьох десятиліть і працюють вони до сих пір.

Синоптики займаються ще й своєрідним художнім мистецтвом. У нас є термін «підняття карти». Це коли беруть за основу синоптичну карту із новими даними спостережень і розфарбовують її. Зеленим — зону опадів, синім — холодний фронт, червоним — теплий. Треба малювати не тільки красиво, але й швидко — дані надходять о 8:00, а до 10:00 потрібно зробити бюлетень погоди. Це — невеличка брошура, в якій є синоптичні карти для території України та текстовий опис погоди на 1-2 та 3-5 діб, попередження про небезпечні гідрометеорологічні явища.
Чисельні прогнози розвиваються з кінця 50-х років 20 століття. Навіть якщо ви — найкращий синоптик, звичайна застуда може вплинути на якість прогнозу. А чисельні прогнози обраховуються автоматично за допомогою комп'ютерів чи обчислювальних серверів, вони не залежать від людського фактору. Інформацію отримують у вигляді таблиць, графіків, тексту. Жоден фахівець не зможе так швидко обробити дані, як техніка.

— Ми в інституті також намагаємось все автоматизувати. Наші провідні фахівці пишуть програми та контролюють роботу техніки. На кожному напрямку прогнозу погоди працює практично по одній людині — цього замало. Якщо людина захворіла, то програма буде працювати і без неї, але якщо в цей час ще й відключать електрику, то у нас не буде одного із елементів прогнозу. Хоча для України це не критично — гідрометцентр в рамках міжнародних угод отримує не лише вітчизняні чисельні прогнози, а й іноземні — у них є щонайменше 2-3 запасних варіанти, — розказує метеоролог.

Віталій і Олександр провели до серверної інституту — саме там обробляються дані і з'являються вітчизняні чисельні прогнози. Над ним працює не група синоптиків, а обчислювальні сервери. Приміщення знаходиться в підвалі, тут в будь-яку пору приблизно +18 градусів, техніка чутлива до холоду чи спеки.

— На крыше института установлена антенна, которая принимает данные со спутников в зашифрованном виде. Программа сначала декодирует их, а потом обрабатывает и выводит информацию — фотографии воздушных масс, общую высоту облаков, температуру верхней границы облаков и другое, — пояснює Олександр.
Знімок повітряних мас дозволяє визначати тип повітряної маси, характеристики температури і вологості лише поєднанням кольорів (технологія RGB).
— У 2007 році інститут придбав суперкомп'ютер Altix 4700. На той час він був єдиний і в структурі академії наук, і в Міністерстві з надзвичайних ситуацій. Саме з його допомогою нам вдалося адаптувати іноземні моделі прогнозу погоди для території України, створити фундамент для розвитку комплексних прогностичних систем. Та з'явилися кращі технології, спрямовані на зменшення споживання електричної енергії без втрати потужності розрахунків, тому зараз Altix замінив набір серверів.

Свого часу я запропонував ідею, яка, мабуть, є оптимальним рішенням для небагатих країн: кожному серверу — посильна для нього одна або декілька задач, таким чином на створення прогнозу йде менше часу. Кожен із цих серверів за можливостями, звісно, не такий, як наш суперкомп'ютер, але споживає в рази менше електрики. Проте прогрес не стоїть на місці, я переконаний, що вже незабаром у продажу з'являться сервери, які будуть потужніші. Для безпеки і стабільної роботи техніки у нас встановлено безперебійник та систему кондиціонування, — розповідає Віталій.
Для авіації та побуту
Прогноз погоди потрібен не лише для того, щоб знати, чи захопити парасольку та які речі брати у відпустку, він необхідний для таких сфер, як сільське господарство та авіація.

— В залежності від потреб користувачів прогноз дається на різний термін і з різною деталізацією. Наприклад, для сільського господарства одна помилка в межах п'яти градусів не стане визначальною — це ніяк не зашкодить рослинам, а от для малої авіації може бути критичною.

Короткострокові прогнози дають із завчасністю від 12 до 72 годин, вони мають високу точність.

Середньострокові прогнози даються на сім діб, вони найзручніші для більшості користувачів. Синоптики не можуть прогнозувати з хорошою точністю на багато днів наперед. В Україні, як і в більшості країн світу найкраща точність — це на найближчі три доби, достатньо хороша — на п'ять діб. Потім точність зменшується, такий прогноз можна вважати лише орієнтовним. Атмосфера дуже мінлива, тому синоптики не тільки створюють нові прогнози, а ще й постійно роблять уточнення існуючих.

Є ще довгострокові прогнози, їх синоптики дають на термін від 30 днів до трьох місяців (в Україні до двох місяців). Цей прогноз вказує лише на те, буде погода в межах норми чи відхилиться від неї. Норма — це середня температура для місяця, розрахована за період 1961-1990 років. Якщо вам зараз скажуть, якою буде погода 8 березня 2019 року, то до цього треба ставитись скептично та із усмішкою, пояснює Віталій.

Іноді в прогнозі, крім фактичної температури вказують, на скільки градусів відчувається температура повітря. Щоб дізнатися цю цифру синоптикам, не потрібно виходити на вулицю чи висовувати голову у вікно — це вираховується за формулами:

— Є окремий напрям в метеорології, який займається впливом погоди на людей та тварин. Він корисний, наприклад, при створенні прогнозів для сільського господарства. Тепловідчуття залежить не тільки від повітря, а ще від вологості, швидкості вітру. Є так звані індекси комфортності для різних живих організмів.
Шаманські скіли синоптиків
Метеорологи можуть не тільки передбачати дощ, а ще й викликати його.

— Починаючи з 2010, практично щороку під час святкування Дня Незалежності, а інколи й під час проведення інших державних свят та урочистостей наші співробітники разом з військовими забезпечуютьв Україні погоду без дощу. Ми хмари не розганяємо, а лише регулюємо опади. Адже щоб розсіяти хмари, потрібно дуже багато літаків і реагентів, та й то з купчасто-дощовою хмарою це не вийде, а під час грози залітати в неї літаком взагалі небезпечно. Ми діємо реагентами, елементи яких є в природі, наприклад, засіваємо над хмарою сухий лід — це твердий діоксид вуглецю. Його виробляють на звичайних холодокомбінатах і використовують приміром для зберігання морозива. Ще можна використовувати йодисте срібло, та цей спосіб більш затратний. Завдяки дії реагенту дощ йде раніше, ніж це відбулось би природним шляхом.

Раніше для сільського господарства ми могли взимку збільшувати кількість опадів, захищати сільгоспугіддя від градобою, та, на жаль, цей вектор в Україні практично загублено — служба була в Криму, після анексії ми її втратили. Реально зараз є можливість відродити протиградовий захист, адже град завдає багато шкоди нашим садам та городині. Це можливо зробити за правильної державної політики без великих бюджетних витрат, великий запит вже є у приватного бізнесу.

Взагалі назріло питання створення Державної агенції з гідрометеорології, планового проведення системної реформи галузі. Ясно, що за один рік виправити помилки і надолужити втрачене практично нереально. Це може бути лише поетапний процес. За основу могли б бути взяти загальний підхід, критерії і вимоги, які нині використовуються у реформі державної служби, як державно-правового і соціально-політичного інституту. Мають чітко витримуватися критерії «трьох П»: професіоналізм, порядність, патріотизм.
Погоду прогнозували
Марина Шилович
Текст
Ольга Сошенко
Фото
Читайте також
Made on
Tilda