Главная arrow Гибкие системы arrow Моделирование погоды
Как начинался компьютер
Компьютерная революция
Двоичный код
Разработки военных лет
Интегральные микросхемы
Микрокомпьютер
Персоны
Сеть
Язык компьютера
Развитие ПО
Гибкие системы
Средства разработки
Информатика
Вычислительная наука
Операционные системы
Искусственный интеллект
Предыстория
Поиск
Знания и рассуждения
Логика
Робототехника
 

 
Моделирование погоды Печать
 
Пожалуй, ни одна из вычислительных задач так хорошо не подходит для компьютера (и не нуждается в таком сложном программном обеспечении), как прогнозирование погоды.

В конце 40-х годов один из творцов вычислительной техники Джон фон Нейман понял, что из уравнений газовой динамики, описывающих движение атмосферных потоков, можно построить большую математическую модель погоды, рассчитав ее с помощью компьютера.

Метеорологи и ранее применяли в своей работе простые математические модели, однако объем данных, который они могли использовать, был строго ограничен, поскольку все уравнения приходилось решать вручную.

В Институте перспективных исследований в Принстоне фон Нейман разработал машину, которая позволила сократить время на получение прогноза на ближайшие сутки до нескольких минут, тогда как ранее для этого требовались сутки.

Хотя фон Нейману и принадлежит честь первой практической демонстрации использования компьютера для составления прогноза погоды, саму эту идею выдвинул несколькими десятилетиями ранее талантливый английский метеоролог Льюис Ричардсон.

В 1922 г. он сделал попытку описать центр прогнозирования будущего. Его неудержимая фантазия рисовала громадный зал, где размещалось 64 тыс. человек - «вычислителей», - решающих уравнения с помощью логарифмических линеек и механических калькуляторов. Каждый отвечал за уравнения, описывающие условия в определенном районе земного шара. Всем процессом вычислений руководил главный метеоролог, стоявший на возвышении, которого Ричардсон сравнивал «с дирижером оркестра, где инструментами служат логарифмические линейки и счетные машины. Но вместо взмахов дирижерской палочки он направляет розовый луч света на те районы, обработка данных с которых идет с опережением, и голубой - на те, где она запаздывает».

Современному сложному миру достоверный прогноз погоды нужен куда больше, чем во времена Ричардсона. Например, в США только за один год капризы погоды (ураганы, наводнения, заморозки, град и молнии) приносят убытки на многие миллиарды долларов и становятся причиной тысяч несчастных случаев и человеческих жертв. Предсказание погоды - это то маленькое чудо, которое многие фермеры и бизнесмены получают от частных метеорологических служб по подписке или телефонным звонкам, поступающим в бюро прогнозов миллиардами.

Сбор данных

Мечты Ричардсона о прогнозе, построенном на основе вычислений, относятся к начальному периоду становления современной метеорологии. Технология 20-х годов была достаточна развита, чтобы обеспечить точный систематический сбор данных о погоде.

Вначале от случая к случаю, а затем и ежедневно метеорологи стали запускать наполненные гелием воздушные шары-зонды, оборудованные устройствами для записи температуры, влажности и давления на различных уровнях нижнего слоя атмосферы (называемого тропосферой). Сегодня всемирная сеть собирает данные в тысячах различных точек по всему земному шару, направляя эту информацию для анализа в главные центры службы погоды.

На разбросанных по всей Северной Америке гидрометеостанциях ученые исследуют атмосферу с помощью шаров-зондов и не менее 8 раз в сутки делают наземные измерения температуры, влажности, давления и количества выпавших осадков. Самолеты и корабли в морях и океанах дают дополнительные данные.

Всего в Национальный метеорологический центр США в Кэмп-Спрингсе, шт. Мэриленд, поступают ежедневно результаты около 100 тысяч подобных измерений.

Для обработки этого потока информации требуются самые мощные компьютеры. Такие суперкомпьютеры, как «Крей Х-МР» или «Сайбер-205» фирмы «Контролдейта» (стоимостью 16 млн. долл. и выше), могут обрабатывать данные с невообразимой скоростью - 400 млн. операций в секунду.

Столь высокая скорость необходима потому, что используемые для прогнозирования погоды математические модели - наиболее сложные из всех программ. Для их разработки требуются силы, намного превосходящие возможности одного, пусть даже самого опытного человека.

Такое программное обеспечение создается целыми бригадами программистов, каждая из которых работает над отдельной частью (или модулем) большой модели. Причем очень часто эти бригады работают в разных городах.
 

В результате компьютерной обработки инфракрасного изображения земной поверхности, полученного со спутника, районы с различными температурами окрашиваются в разные цвета. Например, зеленый цвет соответствует здесь низким температурам. Подобные крупномасштабные изображения помогают метеорологам следить за глобальной картиной погоды и делать краткосрочные прогнозы.
 

Глобальную модель погоды строят, разбивая тропосферу на отдельные секции, или клетки. Обычно длина стороны такой клетки составляет 160-320 км. Однако в Европейском центре среднесрочного прогнозирования, расположенном в английском городе Ридинг (это самый современный центр погоды), применяется модель со стороной клетки 120 км. Установленный в Ридинге компьютер «Крей Х-МР» 4 раза в сутки поглощает очередную порцию данных, пережевывает ее около 50 мин, выдавая прогноз на ближайшие 3 дня. Он может делать и долгосрочные прогнозы - до 10 суток.

Клетки делятся на уровни, по высоте. В европейской модели рассматриваются 15 уровней - от поверхности Земли до середины озонного слоя (около 25 км над поверхностью Земли).

Для каждой клетки компьютерная модель описывается уравнениями, в которых учитываются такие погодные факторы, как ветер, облачный покров, наличие или отсутствие горных массивов. Уравнения внутри клетки взаимозависимы, а все клетки модели связаны между собой. Это похоже на своеобразную метеорологическую ведомость, в которой изменение в одной клетке оказывает воздействие на другие клетки.

В природе, например, увеличение скорости ветра над океаном в районе Сан-Франциско может привести к повышению влажности и вызвать дождь, который станет причиной изменения температуры, что отразится на тепловом балансе атмосферы. В свою очередь это может вызвать возникновение западных воздушных потоков.

Уравнения, описывающие процессы внутри клетки, отражают каждый шаг в этой цепи событий, а сама модель предсказывает, как изменения условий в данной клетке скажутся спустя 2 дня на погодных факторах в 2 тысячах километров к востоку, в районе Канзас-Сити.

Наверное, те, кто, услышав прогноз, предвещающий безоблачное небо, затем промокали до нитки под грозовым дождем спустя всего два часа, скептически воспримут слова о том, что предсказание погоды заметно улучшилось (главным образом благодаря компьютерам). Так не менее в мировом масштабе в середине 80-х годов 5-6 дневной прогноз погоды стал таким же точным, как двухдневный в середине 70-х годов.

В предсказаниях температуры на ближайшие сутки количество ошибок, превышающих 5 градусов, сократилось по сравнению с 60-ми годами вдвое. Более редкие, но досадные неточности, продолжающие беспокоить метеорологов, имеют разные причины, далеко выходящие за рамки самого программного обеспечения.

Во-первых, это недостаток требуемых данных. Хотя мировая сеть наблюдений за погодой крайне сложна, источников информации все еще слишком мало и они расположены далеко друг от друга. Большие пробелы в этой сети имеются над просторами тропической зоны океана, где порой зарождается самая плохая погода.