Погода – это то, что ежедневно интересует практически каждого человека. Поэтому прогноз погоды относился и будет относиться к самым интересным и всегда злободневным новостям. При этом точность таких прогнозов всегда и везде вызывает нарекание. Возможна ли математическая точность в предсказании погоды? Если нет, то почему? А если да, то до какой степени? Об этом наш разговор с доктором физико-математических наук, профессором, руководителем лаборатории математического моделирования гидротермодинамических процессов в природной среде Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН Владимиром Викторовичем Пененко.
Существует ряд определений погоды. Самое короткое звучит так: «Погода – это текущее состояние атмосферы». Изучением и прогнозированием погоды занимается метеорология. Впервые этот термин использовал еще Аристотель. В целом ряде стран сегодня метеорологию называют «физикой атмосферы». Физика – точная наука, но многие ли потребители прогнозов погоды согласятся сегодня считать метеорологию точной наукой? Видимо, нет.
В этой связи стоит вспомнить, что известный российский и советский физик, один из создателей теории нестационарной (расширяющейся) Вселенной Александр Фридман занимался не только космологией, но и метеорологией. В астрофизике он мог строить прогнозы о судьбах Вселенной на миллиарды лет вперед, а в масштабах одной планеты Земля столкнулся с тем, что невозможно с абсолютной точностью предсказать погоду на несколько дней вперед.
Почему метеорология не может быть такой же точной в своих прогнозах, как, допустим, астрономия и астрофизика? С этого вопроса началась наша беседа с Владимиром Викторовичем Пененко.
По его словам, в силу постоянной изменчивости атмосферных процессов точный прогноз погоды – дело очень сложное. И существуют объективные пределы предсказуемости даже при использовании методов точных наук. Например, с помощью современных детерминированных математических моделей прогноз погоды можно делать на срок порядка 10 дней. Для достоверного прогноза химической, аэрозольной погоды (например, состояния загрязнения воздуха) требуется информации на порядки больше, чем для прогноза погоды, поскольку необходимо знать дополнительно подробную информацию обо всех источниках и составе выбросов, а также механизмах трансформации первичных загрязняющих веществ и появления вторичных продуктов их трансформации. Поэтому предел предсказуемости качества атмосферы значительно короче. И такие короткие сроки во многом связаны с солнечной активностью, прогнозирование которой составляет отдельную проблему.
При этом Солнце влияет не только на погоду, но и на экологические параметры атмосферы. В частности, очень опасный для человеческого организма формальдегид, который не только напрямую выбрасывается с промышленных предприятий, но также является продуктом трансформации метана (и других веществ) в атмосфере под действием солнечного света. При этом метан может иметь не только искусственное, но и природное происхождение (например, выделяться из болот). Формальдегид на несколько порядков более токсичен, чем всем известный углекислый газ, за выбросами которого стараются тщательно следить. И его выбросы можно вычислять и фиксировать, а вот просчитать образование формальдегида в атмосфере из естественных и природных компонентов под действием солнечного света очень сложно.
В связи с этим возникает естественный вопрос. Все, наверное, слышали выражение «кухня погоды» по отношению к ряду мегарегионов Земли, например, Арктики. Но получается, что настоящая кухня земной погоды находится в 150 миллионах километров от нашей планеты, на Солнце. И для того, чтобы метеорология могла с точностью предсказывать погоду на Земле, она должна знать, что будет происходить на Солнце. А это, при современном уровне научных знаний, пока невозможно. Впрочем, для точного прогноза погоды нужно знать еще многое: влияние океанов, процессов в литосфере (например, извержение вулканов), последствия деятельности человека (техногенное загрязнение природной среды). Учесть и просчитать все эти факторы невероятно сложно, а очень часто и невозможно.
Однако по другому поводу Эйнштейн говорил, что «Господь утончен, но не злонамерен». Природа, как правило, сама создает предпосылки для разгадок задаваемых ею же загадок. Она подчинена целому ряду закономерностей, в частности, цикличности. А изучив циклы прошлого, можно предсказать и будущее. И это касается процессов, происходящих как на Солнце, так и на Земле.
Мы возвращаемся к нашей беседе с Владимиром Викторовичем Пененко. Он говорил как раз об этом. О поиске долговременной памяти в атмосферной циркуляции, тех главных факторов, которые определяют погоду не на один день, а на длительный период времени. Ведь постоянно изменчивая погода образует весьма устойчивый климат. Климат – это многолетний режим погоды, характерный для данной местности в силу ее географического положения. Климат, в отличие от погоды, может не меняться весьма длительное время, а если и меняется, то, как правило, очень медленно. И он основывается на повторяющихся явлениях и процессах, а то, что повторяется – предсказуемо. Хотя сначала термин «память климатической системы» мне показался странным. Однако память есть не только у животных и растений, память есть даже у металлов. Так почему не может быть памяти у климатической системы?
Владимир Викторович говорил о том, что в его лаборатории занимаются поисками эффектов долговременной памяти, основными параметрами которой являются главные факторы, определяющие погоду: атмосферное давление, воздушные потоки, температура подстилающей поверхности, температура океанов и др. Сейчас существуют базы данных реанализа, в которых сосредоточена обширная информация об атмосферных циркуляциях со всеми сопутствующими процессами на период более 60 лет. В лаборатории создана математическая модель, которая позволяет извлекать из этих баз данных информацию о том, насколько похожи или различны параметры системы в каждый конкретный день из периода наблюдений. Оказалось возможным рассчитать так называемые «главные факторы», то есть выделить общие закономерности, а также оценить диапазон их изменчивости, условно разделяя климатически значимые процессы и «погодные шумы». Эту информацию можно использовать для конструирования сценариев долговременной изменчивости циркуляции атмосферных процессов. И в данном случае прогностические сценарии строятся на вычислениях с помощью математических моделей с использованием доступной метеорологической информации. Пушкин писал о возможности «поверить алгеброй гармонию», а в данном случае речь идет о поверке математикой климатической системы. Впрочем, хорошо известна поговорка о том, что «в каждой науке столько науки, сколько в ней математики». И это верно и в отношении науки о погоде и климате.
Однако при всей важности прогнозирования погоды, главное прикладное направление деятельности лаборатории, которую возглавляет Владимир Викторович Пененко, связано с проблемами экологии, оценки экологической перспективы для индустриальных регионов, городов, промышленных и природных объектов. На основе многофункционального комплекса математических методов и вычислений решается широкий спектр теоретических и практических задач. Среди них: локальные и глобальные проблемы загрязнений атмосферы; оценка трансграничных переносов, расчет течений и загрязнения водных объектов; природоохранные задачи для нормальных и аварийных ситуаций в атмосфере и водных объектах; идентификация источников антропогенных воздействий; выявление предпосылок и прогнозирование последствий экологических катастроф; оценка экологического риска и уязвимости, а также решение ряда других проблем.
С помощью данных математических моделей и методов лабораторией были решены задачи по прогнозу и оценкам масштабов последствий антропогенных воздействий для городов и промышленных регионов Москвы, Новосибирска, Томска, Софии, Улан-Удэ, Астрахани и Астраханского ГПЗ, Алма-Аты, озера Байкал и других водоемов, КАТЭКа и ряда объектов горнодобывающей промышленности. Были просчитаны сценарии экологических последствий действий сил блока НАТО в Сербии и Афганистане, аварий на Чернобыльской АЭС и целый ряд других задач. Но подробнее об этом в следующей статье.
Юрий Курьянов
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии