Как создаются прогнозы погоды?

Прогнозы погоды настолько знакомы всем нам, что вы никогда не задумываетесь о том, как они создаются. Если ваш бизнес каким-то образом подвержен влиянию погоды, может быть хорошей идеей изучить некоторые основы прогнозов погоды. Таким образом, вы будете в лучшем положении, например, при оценке качества потенциальных поставщиков погоды.

Большинство людей может подумать, что прогнозы погоды всегда выполняются метеорологом. Фактически, прогнозирование погоды гораздо больше связано с компьютерами, чем с людьми, хотя люди, безусловно, задействованы. Синоптики работали с большими объемами данных задолго до того, как этот термин был изобретен. Например, Foreca обрабатывает сотни гигабайт исходных метеорологических данных каждый день, и сегодня наука больше зависит от выбора правильных источников данных и управления методами обработки и оценки данных, а не от человека, пытающегося определить маршрут зоны низкого давления.

1. Измерение погоды

Measuring the weather

Чтобы прогнозировать погоду, мы должны сначала измерить текущее состояние всей системы Земли. Измерения производятся из космоса, в воздухе, на земле и в море. Глобальный охват необходим, поскольку метеорологические системы не обращают внимания на национальные границы и быстро перемещаются с одного континента на другой.

Наземные наблюдения

На земле национальные метеорологические институты поддерживают сети метеостанций. Станции измеряют состояние земли и нижней атмосферы. Станции стандартизированы, и данные свободно обмениваются между всеми народами мира. Расположение станций тщательно выбирается для отображения среднего климата в регионе.

Наблюдения из космоса

С годами растет значение спутников. Общественность, вероятно, знакома с впечатляющими анимациями ураганов, которые видны в средствах массовой информации, но спутники также играют более важную роль: проведение измерений для инициализации компьютерных моделей. Современные метеорологические спутники обладают удивительным оборудованием, которое позволяет дистанционно измерять широкий диапазон параметров, таких как температура поверхности моря, покрытие снега, количество водяного пара и даже скорость и направление ветра. Самой важной особенностью спутниковых данных является единый глобальный охват; спутниковые данные могут заполнять отверстия в разреженных наземных сетях.

Наблюдения с воздуха

Измерения с воздуха важны, потому что большая часть атмосферы находится вне досягаемости наземного оборудования. Более крупные коммерческие самолеты и метеорологические воздушные шары несут на борту приборы для измерения погоды и отправляют информацию обратно на землю.

Наблюдения с моря

Температура поверхности моря оказывает существенное влияние на погоду. Измерения температуры воды, волн и других параметров моря традиционно проводились с использованием судов и буев. Метеорологические буи дороги для обслуживания и поэтому редко встречаются. Поскольку 70% Земли покрыто водой, спутниковые измерения имеют решающее значение, особенно над морями.

2. Анализ текущего состояния системы Земли

Все измерения подаются в суперкомпьютер, который использует их для формирования картины всей системы Земли, так как это «сейчас» — текущее состояние атмосферы, моря и земли.

Можно уверенно знать состояние атмосферы только в тех точках, где имеется измерительное оборудование, такое как метеостанция. В других местах компьютер полагается на сложный физический анализ, чтобы получить как можно больше значений для каждой точки воздуха, моря и земли.

Например, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) создает анализ измерений, в которых атмосфера Земли разделяется на воздушные кубы диаметром около 8 км, то есть сетку с разрешением 8 км.

3. Расчет глобального прогноза

Численное прогнозирование погоды — это расчет того, что будет дальше, в зависимости от погоды. Необходимая физика и математика известны с начала 1900-х годов, но только после изобретения современных компьютеров стало возможным численное прогнозирование погоды.

При расчете прогноза компьютер использует минимальные интервалы, например, 30 секунд. Начиная с исходной ситуации, основанной на измерениях, компьютер сначала делает прогноз на ближайшие 30 секунд. Затем он использует это как начальную позицию и прогнозирует еще 30 секунд, что приводит к одноминутному прогнозу и так далее. На каждом из этих шагов компьютер вычисляет, сколько воздуха нужно перемещать из одного воздушного куба в следующий, сколько влаги перемещается с воздухом, как сильно солнце нагревает землю и т. Д.

Ошибки постепенно накапливаются в расчетах прогнозирования, поэтому чем дольше выполняется прогноз, тем больше становятся ошибки. Как правило, первые три-пять дней можно прогнозировать достаточно надежно.

Знали ли вы?
Глобальные модели прогноза погоды управляются только несколькими организациями на некоторых из крупнейших суперкомпьютеров в мире. Две наиболее широко используемые глобальные модели управляются ЕЦСПП в Европе и NOAA в США. Улучшение компьютеров и моделей прогнозов за эти годы привело к неуклонному увеличению разрешения модели и качества прогноза. Качество прогноза не полностью определяется разрешением, но размер сетки определяет наименьшие явления, которые можно прогнозировать. На данный момент (2017 год) наиболее точной моделью глобального прогноза является модель ЕЦСПП, которая выполняется с разрешением 8 км.

4. Улучшение глобальных прогнозов

Глобальные модели прогнозов рассчитываются каждые шесть или двенадцать часов, а поскольку расчеты занимают несколько часов, на момент публикации они являются несколько устаревшими. Существуют также мелкомасштабные погодные явления, которые грубая глобальная модельная сетка не может представлять. Существует несколько подходов к устранению этих недостатков глобального прогноза.

Локальные модели погоды в высоком разрешении

Глобальные погодные модели по-прежнему ограничены разрешением примерно в 10 км, даже при использовании самых быстрых суперкомпьютеров, но в разных частях зоны 10-на-10 км возможно иметь очень разную погоду. Это особенно актуально для крупных водоемов или горных районов.

Вычисление модели погоды с более высоким разрешением внутри глобальной модели позволяет достичь разрешения всего на пару километров или даже лучше. Такие модели называются моделями, и большинство национальных метеорологических служб используют локальную модель для своей собственной страны.

Foreca приобретает множество локальных моделей со всего мира, а также вычисляет собственные локальные модели для важных областей.

Статистические методы

В местах, где доступны измерения, можно отслеживать ошибки в прогнозах. В дополнение к контролю качества эта информация может использоваться для улучшения будущих прогнозов.

Например, если прогноз погоды для местоположения всегда будет на два градуса холоднее, прогноз может быть улучшен путем добавления двух градусов к прогнозу прогноза погоды. В действительности ошибки редко бывают настолько простыми. Поэтому статистический анализ должен использовать большое количество данных в течение длительного периода времени, чтобы иметь возможность находить образцы ошибок.

Foreca использует сложный статистический анализ для максимально возможного уменьшения ошибок прогноза, используя все доступные данные из нескольких моделей погоды, как глобальных, так и локальных, а также всех доступных параметров измерения. Система была разработана в течение многих лет.

Текущая Погода

Можно выполнить точную настройку прогнозов модели с помощью измерений, которые были сделаны после инициализации модели. Это называется Текущая Погода, и это эффективный метод при создании прогнозов на грядущие два часа.

Если местоположение прогнозируемого облачного дождя имеет погрешность в пару километров от края зоны дождя, пользователь прогноза на земле увидит совершенно другую погоду — неудачный прогноз.

Система Текущей Погоды Foreca объединяет измерения радиолокационных, спутниковых и метеорологических станций и запускает прогнозирование текущей погоды с высоким разрешением несколько раз в час, улучшая как разрешение, так и точность прогноза в первые часы.

5. Завершение прогноза

Прогноз должен быть представлен в простом для понимания виде для различного использования. Foreca создает прогнозы по всему миру для потребителей и для бизнеса. Среди бизнес-клиентов встречаются производители автомобилей, операторы зимнего обслуживания дорог, телевизионных станций, газет, разработчики мобильных приложений, энергетические компании и многие другие.

Завершение прогнозов

Точечный прогноз показывает, какая погода будет в одной координатной точке. Это зачастую легче понять, чем другие типы прогнозов, но не дает столько информации об общей погодной ситуации, как это делают карты. Как правило, точечные прогнозы визуализируются в виде графика или ряда символов погоды или отформатированы в короткий текст.

Карты прогнозов

Карты прогнозов показывают, что происходит в большей области вокруг интересующего местоположения. Это помогает понять общую погодную ситуацию, которая полезна, например, для планирования поездок и понимания неопределенностей в прогнозе. Foreca предлагает карты погоды в виде слоев, которые можно поместить на карту фона и анимировать. Погодные слои совместимы со всеми промышленными стандартными поставщиками карт, такими как Google, здесь или Bing. Foreca также может предоставлять пользовательские фоновые карты, которые предназначены для визуальной работы вместе с погодными слоями.

API данных о погоде

Различные компании используют прогнозы погоды для оптимизации своих операций или для лучшего обслуживания своих клиентов, которым нужны данные о погоде для интеграции во внутренние системы. В этих случаях Foreca предлагает данные о погоде в XML, JSON или пользовательских форматах. Передача данных возможна как с помощью онлайн-API, так и с помощью пакетных передач, использующих большинство общих протоколов.

Помимо продуктов погодных данных, Foreca предлагает готовые решения для различных отраслей промышленности.

Метеорологические службы Foreca