Метеорология и климатическое моделирование

Прогнозирование погоды: от древности до современных технологий

Прогнозирование погоды: применение науки и технологий для предсказания атмосферных условий. От ручных расчетов – к компьютерным моделям и анализу данных.

20 мин чтения

100%

Источник: Weather forecasting — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Применение науки и технологий

Прогнозирование погоды – это применение науки и технологий для предсказания состояния атмосферы в заданном месте и времени. Люди пытались предсказывать погоду неформально на протяжении тысячелетий и формально – с XIX века. Прогнозы погоды составляются путем сбора количественных данных о текущем состоянии атмосферы, суши и океана с использованием метеорологии для прогнозирования изменений атмосферы в конкретном месте. Если ранее расчеты выполнялись вручную, основываясь главным образом на изменениях барометрического давления, текущих погодных условиях и состоянии неба или облачности, то сейчас прогнозирование погоды опирается на компьютерные модели, учитывающие множество атмосферных факторов. Для выбора наиболее подходящей модели для прогноза по-прежнему требуется участие человека, включающее навыки распознавания закономерностей, понимание телесвязей, знание производительности модели и ее систематических ошибок. Неточность прогнозов обусловлена хаотичной природой атмосферы, огромной вычислительной мощностью, необходимой для решения уравнений, описывающих атмосферу, сушу и океан, погрешностью при измерении начальных условий и неполным пониманием атмосферных и связанных с ними процессов. Следовательно, точность прогнозов снижается с увеличением временного интервала между текущим моментом и моментом, на который делается прогноз (дальностью прогноза). Использование ансамблевых прогнозов и консенсуса моделей помогает уменьшить погрешность и повысить уверенность в прогнозе. Существует огромное количество областей применения прогнозов погоды. Предупреждения о погоде важны, поскольку используются для защиты жизни и имущества. Прогнозы температуры и осадков имеют важное значение для сельского хозяйства и, следовательно, для трейдеров на товарных рынках. Прогнозы температуры используются коммунальными службами для оценки спроса на ближайшие дни. В повседневной жизни многие люди используют прогнозы погоды, чтобы решить, что надеть. Поскольку сильный дождь, снег и ветер существенно ограничивают активность на открытом воздухе, прогнозы помогают планировать мероприятия с учетом этих факторов, а также готовиться к ним и переживать их. Прогнозирование погоды является частью экономики. Например, в 2009 году США потратили на это около 5,8 миллиарда долларов, что принесло выгоду, оцениваемую в шесть раз больше.

Weather forecasting is the application of science and technology to predict the conditions of the atmosphere for a given location and time. People have attempted to predict the weather informally for millennia and formally since the 19th century. Weather forecasts are made by collecting quantitative data about the current state of the atmosphere, land, and ocean and using meteorology to project how the atmosphere will change at a given place. Once calculated manually based mainly upon changes in barometric pressure, current weather conditions, and sky conditions or cloud cover, weather forecasting now relies on computer based models that take many atmospheric factors into account. Human input is still required to pick the best possible model to base the forecast upon, which involves pattern recognition skills, teleconnections, knowledge of model performance, and knowledge of model biases. The inaccuracy of forecasting is due to the chaotic nature of the atmosphere, the massive computational power required to solve the equations that describe the atmosphere, the land, and the ocean, the error involved in measuring the initial conditions, and an incomplete understanding of atmospheric and related processes. Hence, forecasts become less accurate as the difference between the current time and the time for which the forecast is being made (the range of the forecast) increases. The use of ensembles and model consensus helps narrow the error and provide confidence in the forecast. There is a vast variety of end uses for weather forecasts. Weather warnings are important because they are used to protect lives and property. Forecasts based on temperature and precipitation are important to agriculture, and therefore to traders within commodity markets. Temperature forecasts are used by utility companies to estimate demand over coming days. On an everyday basis, many people use weather forecasts to determine what to wear on a given day. Since outdoor activities are severely curtailed by heavy rain, snow and wind chill, forecasts can be used to plan activities around these events, and to plan ahead and survive them. Weather forecasting is a part of the economy. For example in 2009, the US spent approximately $5.8 billion on it, producing benefits estimated at six times as much.

Древние прогнозы

В 650 году до н.э. вавилоняне предсказывали погоду по облакам, а также с помощью астрологии. Примерно в 350 году до н.э. Аристотель описал погодные явления в труде «Метеорологика». Позднее Теофраст составил книгу о прогнозировании погоды под названием «Книга знаков». Китайские народные знания о предсказании погоды восходят как минимум к 300 году до н.э., примерно в то же время древние индийские астрономы разработали методы прогнозирования погоды. Во времена Нового Завета сам Иисус упомянул о расшифровке и понимании местных погодных условий, сказав: «Когда вечером вы говорите: “Будет хорошая погода, потому что небо красное”, а утром: “Сегодня будет буря, потому что небо красное и хмурое”. Вы умеете разбираться во внешнем виде неба, но не можете понимать знамения времени». В 904 году н.э. книга Ибн Вахшийи «Набатское земледелие», переведенная на арабский язык с более раннего арамейского источника, рассматривала вопросы прогнозирования погоды на основе изменений в атмосфере и признаков, связанных с планетарными астрологическими изменениями; признаки дождя, основанные на наблюдении за фазами Луны; и прогнозы погоды, основанные на движении ветров. Древние методы прогнозирования погоды обычно основывались на наблюдаемых закономерностях событий, также известных как распознавание образов. Например, было замечено, что если закат особенно красный, то на следующий день часто бывает хорошая погода. Этот опыт накапливался из поколения в поколение, формируя народные приметы о погоде. Однако не все эти предсказания оказались надежными, и многие из них впоследствии не выдержали строгой статистической проверки.

Современные методы

Современная эра прогнозирования погоды началась лишь с изобретения электрического телеграфа в 1835 году. До этого, самые быстрые сообщения о погоде из отдаленных районов могли доставляться со скоростью около 160 километров в день (100 миль/день), но чаще всего – 60–120 километров в день (40–75 миль/день) (как по суше, так и по морю). К концу 1840-х годов телеграф позволил почти мгновенно получать сообщения о погодных условиях с обширной территории, что дало возможность составлять прогнозы, основываясь на данных о погоде, поступающих с наветренных районов. Основоположниками прогнозирования как науки принято считать офицера Королевского флота Фрэнсиса Бофорта и его ученика Роберта Фицроя. Оба занимали влиятельные позиции в британских военно-морских и правительственных кругах, и хотя в то время их работы подвергались критике в прессе, они получили научное признание, были приняты Королевским флотом и легли в основу всех современных знаний о прогнозировании погоды. Бофорт разработал шкалу силы ветра и систему кодирования метеорологических наблюдений, которую он использовал в своих журналах на протяжении всей жизни. Он также способствовал созданию надежных таблиц приливов и отливов вокруг берегов Великобритании и вместе со своим другом Уильямом Уивеллом расширил систему ведения метеорологических записей на 200 станциях береговой охраны. Роберт Фицрой в 1854 году был назначен главой нового отдела при Совете по торговле, занимавшегося сбором данных о погоде в море для нужд моряков. Этот отдел стал предшественником современного Метеорологического управления. Шторм в октябре 1859 года, приведший к гибели судна «Royal Charter», побудил Фицроя разработать карты для составления прогнозов, которые он назвал «прогнозированием погоды», тем самым введя термин «прогноз погоды». «Книга погоды», опубликованная Фицроем в 1863 году, значительно опережала научные представления того времени. С расширением сети электрического телеграфа, обеспечивающего более быстрое распространение предупреждений, была создана общенациональная сеть наблюдений, которая затем могла использоваться для проведения синоптического анализа. Чтобы сократить объем подробных отчетов о погоде для более экономичных телеграмм, отправители кодировали метеорологическую информацию с помощью телеграфного кода, например, разработанного Сигнальным корпусом армии США. Наблюдательные станции из Кью-Гарденс снабжались приборами для непрерывной фоторегистрации изменений метеорологических параметров – эти камеры были изобретены Фрэнсисом Рональдсом в 1845 году, а его барограф ранее использовался Фицроем. Для передачи точной информации вскоре возникла необходимость в стандартном словаре описания облаков, который был создан благодаря серии классификаций, впервые предложенных Люком Говардом в 1802 году и стандартизированных в Международном облачном атласе 1896 года.

It was not until the invention of the electric telegraph in 1835 that the modern age of weather forecasting began. Before that, the fastest that distant weather reports could travel was around 160 kilometres per day (100 mi/d), but was more typically 60–120 kilometres per day (40–75 mi/day) (whether by land or by sea). By the late 1840s, the telegraph allowed reports of weather conditions from a wide area to be received almost instantaneously, allowing forecasts to be made from knowledge of weather conditions further upwind. The two men credited with the birth of forecasting as a science were an officer of the Royal Navy Francis Beaufort and his protégé Robert FitzRoy. Both were influential men in British naval and governmental circles, and though ridiculed in the press at the time, their work gained scientific credence, was accepted by the Royal Navy, and formed the basis for all of today's weather forecasting knowledge. Beaufort developed the Wind Force Scale and Weather Notation coding, which he was to use in his journals for the remainder of his life. He also promoted the development of reliable tide tables around British shores, and with his friend William Whewell, expanded weather record keeping at 200 British coast guard stations. Robert FitzRoy was appointed in 1854 as chief of a new department within the Board of Trade to deal with the collection of weather data at sea as a service to mariners. This was the forerunner of the modern Meteorological Office. A storm in October 1859 that caused the loss of the Royal Charter inspired FitzRoy to develop charts to allow predictions to be made, which he called "forecasting the weather", thus coining the term "weather forecast". The "Weather Book" which FitzRoy published in 1863 was far in advance of the scientific opinion of the time. As the electric telegraph network expanded, allowing for the more rapid dissemination of warnings, a national observational network was developed, which could then be used to provide synoptic analyses. To shorten detailed weather reports into more affordable telegrams, senders encoded weather information in telegraphic code, such as the one developed by the U. S. Army Signal Corps. Instruments to continuously record variations in meteorological parameters using photography were supplied to the observing stations from Kew Observatory – these cameras had been invented by Francis Ronalds in 1845 and his barograph had earlier been used by FitzRoy. To convey accurate information, it soon became necessary to have a standard vocabulary describing clouds; this was achieved by means of a series of classifications first achieved by Luke Howard in 1802, and standardized in the International Cloud Atlas of 1896.

Числовое предсказание

Только в XX веке прогресс в понимании физики атмосферы привел к созданию современной численной прогнозирующей модели погоды. В 1922 году английский ученый Льюис Фрай Ричардсон опубликовал труд «Предсказание погоды численным методом», основываясь на записях и выкладках, которые он делал, работая водителем скорой помощи во время Первой мировой войны. В нем он описал, как можно пренебрегать малыми членами в прогностических уравнениях гидродинамики, определяющих атмосферные потоки, и разработать конечно-разностную схему по времени и пространству для получения численных решений. Ричардсон представлял себе большое помещение, заполненное тысячами людей, выполняющих вычисления и передающих их друг другу. Однако, объем необходимых вычислений был настолько велик, что их выполнение без использования компьютеров было невозможно, а размер сетки и шаги по времени приводили к нереалистичным результатам при усилении циклонической активности. Позднее, с помощью численного анализа, было установлено, что это связано с численной неустойчивостью. Первый компьютерный прогноз погоды был выполнен командой, в которую входили американские метеорологи Джуль Чарни, Филип Дункан Томпсон, Ларри Гейтс, норвежский метеоролог Рагнар Фьёртофт, прикладной математик Джон фон Нейман и программист ENIAC Клара Дан фон Нейман. Практическое применение численной прогнозирующей модели погоды началось в 1955 году, чему способствовало развитие программируемых электронных вычислительных машин.

Трансляции

Первые ежедневные прогнозы погоды были опубликованы в газете "Таймс" 1 августа 1861 года, а первые карты погоды были составлены позднее в том же году. В 1911 году Метеорологическое управление начало выпускать первые морские прогнозы погоды по радиосвязи. Эти прогнозы включали предупреждения о штормах и бурях для районов вокруг Великобритании. В Соединенных Штатах первые публичные радиопрогнозы были сделаны в 1925 году Эдвардом Б. "Э. Б." Ридутом на станции WEEI, принадлежащей Edison Electric Illuminating в Бостоне. Ридут пришел из Бюро погоды США, как и прогнозист погоды WBZ Г. Гарольд Нойес в 1931 году. Первые в мире телевизионные прогнозы погоды, включая использование карт погоды, были экспериментально транслированы BBC в ноябре 1936 года. Регулярное вещание началось в 1949 году, после Второй мировой войны. В Америке экспериментальные телевизионные прогнозы делал Джеймс С. Фидлер в Цинциннати в 1940 или 1947 году на телесети DuMont Television Network. В конце 1970-х и начале 1980-х годов Джон Коулман, первый метеоролог программы "Доброе утро, Америка" Американской вещательной компании (ABC), впервые начал использовать данные метеорологических спутников и компьютерную графику для телевизионных прогнозов. В 1982 году Коулман объединился с генеральным директором Landmark Communications Фрэнком Баттеном, чтобы запустить The Weather Channel (TWC) – круглосуточный кабельный канал, посвященный национальным и местным метеорологическим сводкам. Некоторые метеорологические каналы начали транслировать на платформах потокового вещания, таких как YouTube и Periscope, чтобы охватить более широкую аудиторию.

Числовое прогнозирование погоды

Основная идея численного прогнозирования погоды заключается в том, чтобы зафиксировать состояние атмосферы в определенный момент времени и, используя уравнения гидродинамики и термодинамики, оценить ее состояние в будущем. Основными входными данными от национальных метеорологических служб являются наземные наблюдения с автоматических метеостанций и наблюдения с метеорологических буев в море. Всемирная метеорологическая организация занимается стандартизацией измерительных приборов, методов и сроков наблюдений по всему миру. Станции передают почасовые отчеты METAR или шестичасовые отчеты SYNOP. С площадок запускаются радиозонды, поднимающиеся по всей тропосфере и в стратосферу. Данные метеорологических спутников используются в районах, где недоступны традиционные источники данных. По сравнению с данными радиозондов, спутниковые данные обладают преимуществом в глобальном охвате, но при этом имеют меньшую точность и разрешение. Метеорологические радиолокаторы предоставляют информацию о местоположении и интенсивности осадков, которую можно использовать для оценки суммарного количества осадков с течением времени. Кроме того, при использовании импульсного доплеровского радиолокатора можно определить скорость и направление ветра. Однако эти методы оставляют пробел в непосредственных наблюдениях в нижних слоях атмосферы (от 100 м до 6 км над уровнем земли). Для уменьшения этого пробела в конце 1990-х годов стали рассматривать возможность использования метеорологических дронов для получения данных с этих высот. Исследования значительно активизировались с 2010-х годов, и данные метеорологических дронов в будущем могут быть включены в численные модели погоды. Гражданская авиация и судоходство предоставляют пилотные отчеты вдоль авиационных маршрутов и отчеты с судов вдоль судоходных путей. Исследовательские полеты на самолетах-разведчиках выполняются внутри и вокруг интересующих метеорологических систем, таких как тропические циклоны. Самолеты-разведчики также совершают полеты над открытыми океанами в холодное время года в системы, вызывающие значительную неопределенность в прогнозах, или которые, как ожидается, окажут существенное влияние через три-семь дней на континентальные территории. Модели инициализируются с использованием этих наблюдательных данных. Неравномерно расположенные наблюдения обрабатываются методами ассимиляции данных и объективного анализа, которые выполняют контроль качества и получают значения в точках, пригодных для математических алгоритмов модели (обычно на равномерной сетке). Затем данные используются в модели в качестве начальной точки для прогноза. Набор уравнений, используемых для прогнозирования физики и динамики атмосферы, обычно называют примитивными уравнениями. Они инициализируются данными анализа и определяются скорости изменения. Скорости изменения предсказывают состояние атмосферы на короткий промежуток времени в будущем. Затем уравнения применяются к этому новому состоянию атмосферы для определения новых скоростей изменения, которые предсказывают состояние атмосферы еще дальше в будущем. Эта процедура пошагового вычисления времени непрерывно повторяется до тех пор, пока решение не достигнет желаемого времени прогноза. Длина шага по времени, выбранного в модели, связана с расстоянием между точками на вычислительной сетке и выбирается для обеспечения численной устойчивости. Шаги по времени для глобальных моделей составляют порядка десятков минут, а для региональных моделей – от одной до четырех минут. Глобальные модели запускаются с разным горизонтом прогнозирования. Единая модель Мет-офиса рассчитывается на шесть дней вперед, модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды – на 10 дней вперед, а модель Глобальной системы прогнозов, управляемая Центром экологического моделирования, – на 16 дней вперед. Визуальный результат, полученный в результате решения модели, известен как прогностическая карта или прогнозная диаграмма. Исходные данные часто модифицируются перед представлением в виде прогноза. Это может быть выполнено с использованием статистических методов для устранения известных систематических ошибок в модели или корректировок для учета согласованности между различными численными прогнозами погоды. MOS (статистика выходных данных модели) – это метод интерпретации выходных данных численной модели и получения конкретных рекомендаций для конкретных местоположений. Эти рекомендации представляются в закодированном числовом виде и могут быть получены практически для всех метеорологических станций Национальной метеорологической службы в Соединенных Штатах. Как предположил Эдвард Лоренц в 1963 году, долгосрочные прогнозы, выполняемые на горизонте две недели и более, не могут однозначно предсказать состояние атмосферы из-за хаотической природы уравнений гидродинамики. В численных моделях даже незначительные ошибки в начальных значениях удваиваются примерно каждые пять дней для таких переменных, как температура и скорость ветра. По сути, модель – это компьютерная программа, которая генерирует метеорологическую информацию на будущее время в заданных местах и на разных высотах. В любой современной модели имеется набор уравнений, известных как примитивные уравнения, которые используются для прогнозирования будущего состояния атмосферы. Эти уравнения – вместе с уравнением состояния идеального газа – используются для изменения во времени скалярных полей плотности, давления и потенциальной температуры, а также векторного поля скорости атмосферы. В некоторые мезомасштабные модели примитивных уравнений также включены дополнительные транспортные уравнения для загрязняющих веществ и других аэрозолей. Используемые уравнения являются нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, которые невозможно точно решить аналитическими методами, за исключением нескольких идеализированных случаев. Поэтому численные методы получают приближенные решения. Различные модели используют различные методы решения: некоторые глобальные модели используют спектральные методы для горизонтальных измерений и методы конечных разностей для вертикального измерения, в то время как региональные и другие глобальные модели обычно используют методы конечных разностей во всех трех измерениях.

The basic idea of numerical weather prediction is to sample the state of the fluid at a given time and use the equations of fluid dynamics and thermodynamics to estimate the state of the fluid at some time in the future. The main inputs from country based weather services are surface observations from automated weather stations at ground level over land and from weather buoys at sea. The World Meteorological Organization acts to standardize the instrumentation, observing practices and timing of these observations worldwide. Stations either report hourly in METAR reports, or every six hours in SYNOP reports. Sites launch radiosondes, which rise through the depth of the troposphere and well into the stratosphere. Data from weather satellites are used in areas where traditional data sources are not available. Compared with similar data from radiosondes, the satellite data has the advantage of global coverage, but at a lower accuracy and resolution. Meteorological radar provide information on precipitation location and intensity, which can be used to estimate precipitation accumulations over time. Additionally, if a pulse Doppler weather radar is used then wind speed and direction can be determined. These methods, however, leave an in situ observational gap in the lower atmosphere (from 100 m to 6 km above ground level). To reduce this gap, in the late 1990s weather drones started to be considered for obtaining data from those altitudes. Research has been growing significantly since the 2010s, and weather drone data may in future be added to numerical weather models. Commerce provides pilot reports along aircraft routes, and ship reports along shipping routes. Research flights using reconnaissance aircraft fly in and around weather systems of interest such as tropical cyclones. Reconnaissance aircraft are also flown over the open oceans during the cold season into systems that cause significant uncertainty in forecast guidance, or are expected to be of high impact three–seven days into the future over the downstream continent. Models are initialized using this observed data. The irregularly spaced observations are processed by data assimilation and objective analysis methods, which perform quality control and obtain values at locations usable by the model's mathematical algorithms (usually an evenly spaced grid). The data are then used in the model as the starting point for a forecast. Commonly, the set of equations used to predict the physics and dynamics of the atmosphere are called primitive equations. These are initialized from the analysis data and rates of change are determined. The rates of change predict the state of the atmosphere a short time into the future. The equations are then applied to this new atmospheric state to find new rates of change, which predict the atmosphere at a yet further time into the future. This time stepping procedure is continually repeated until the solution reaches the desired forecast time. The length of the time step chosen within the model is related to the distance between the points on the computational grid, and is chosen to maintain numerical stability. Time steps for global models are on the order of tens of minutes, while time steps for regional models are between one and four minutes. The global models are run at varying times into the future. The Met Office's Unified Model is run six days into the future, the European Centre for Medium Range Weather Forecasts model is run out to 10 days into the future, while the Global Forecast System model run by the Environmental Modeling Center is run 16 days into the future. The visual output produced by a model solution is known as a prognostic chart, or prog. The raw output is often modified before being presented as the forecast. This can be in the form of statistical techniques to remove known biases in the model, or of adjustment to take into account consensus among other numerical weather forecasts. MOS or model output statistics is a technique used to interpret numerical model output and produce site specific guidance. This guidance is presented in coded numerical form, and can be obtained for nearly all National Weather Service reporting stations in the United States. As proposed by Edward Lorenz in 1963, long range forecasts, those made at a range of two weeks or more cannot definitively predict the state of the atmosphere, owing to the chaotic nature of the fluid dynamics equations involved. In numerical models, extremely small errors in initial values double roughly every five days for variables such as temperature and wind velocity. Essentially, a model is a computer program that produces meteorological information for future times at given locations and altitudes. Within any modern model is a set of equations, known as the primitive equations, used to predict the future state of the atmosphere. These equations—along with the ideal gas law—are used to evolve the density, pressure, and potential temperature scalar fields and the velocity vector field of the atmosphere through time. Additional transport equations for pollutants and other aerosols are included in some primitive equation mesoscale models as well. The equations used are nonlinear partial differential equations, which are impossible to solve exactly through analytical methods, with the exception of a few idealized cases. Therefore, numerical methods obtain approximate solutions. Different models use different solution methods: some global models use spectral methods for the horizontal dimensions and finite difference methods for the vertical dimension, while regional and other global models usually use finite difference methods in all three dimensions.

Использование барометра

Измерения барометрического давления и тенденции давления (изменение давления во времени) используются в прогнозировании с конца XIX века. Чем больше изменение давления, особенно если оно превышает [значение], тем значительнее можно ожидать изменения погоды. Быстрое падение давления указывает на приближение области низкого давления и повышает вероятность дождя. Быстрое повышение давления связано с улучшением погодных условий, например, с прояснением.

Смотрю на небо

Наряду с тенденцией изменения давления, состояние неба – один из наиболее важных параметров, используемых для прогнозирования погоды в горных районах. Увеличение облачности или вторжение более высоких слоев облаков указывает на скорый дождь. Высокие тонкие перистые облака могут создавать гало вокруг Солнца или Луны, что свидетельствует о приближении тёплого фронта и связанных с ним осадков. Утренний туман предвещает хорошую погоду, так как дождливой погоде предшествуют ветер или облака, препятствующие образованию тумана. Приближение линии гроз может указывать на приближение холодного фронта. Ясное небо говорит о хорошей погоде в ближайшем будущем. Полоса может указывать на приближающийся тропический циклон. Использование состояния неба в прогнозировании погоды на протяжении веков привело к возникновению различных народных примет. В этом временном диапазоне возможно прогнозировать небольшие явления, такие как отдельные ливни и грозы, с разумной точностью, а также другие образования, слишком мелкие для разрешения компьютерной моделью. Человек, располагающий последними данными радаров, спутников и наблюдений, сможет лучше анализировать мелкомасштабные явления и, следовательно, сделать более точный прогноз на ближайшие несколько часов. Однако сейчас существуют экспертные системы, использующие эти данные и мезомасштабные численные модели для более точной экстраполяции, включая эволюцию этих явлений во времени. Accuweather известен своим Minute Cast – прогнозом осадков по минутам на следующие два часа.

Использование моделей прогнозирования

В прошлом синоптик-человек отвечал за создание полного прогноза погоды на основе доступных наблюдений. Сегодня участие человека обычно ограничивается выбором модели, основываясь на различных параметрах, таких как систематические ошибки модели и её эффективность. Использование согласованного прогноза от нескольких моделей, а также отдельных членов ансамбля этих моделей, может помочь снизить погрешность прогноза. Однако, независимо от того, насколько мала становится средняя ошибка в любой отдельной системе, значительные ошибки в конкретных рекомендациях всё ещё возможны при каждом запуске модели. Человеку необходимо интерпретировать данные модели, чтобы создать прогнозы погоды, понятные конечному пользователю. Люди могут использовать знания о локальных эффектах, которые слишком малы для разрешения моделью, чтобы добавить информацию в прогноз. Хотя повышение точности моделей прогнозирования подразумевает, что в будущем люди могут больше не понадобиться в процессе прогнозирования, в настоящее время всё ещё требуется участие человека.

Аналогичная техника

Аналоговый метод – это сложный способ прогнозирования, требующий от синоптика вспомнить предыдущее погодное явление, которое, как ожидается, повторится в будущем. Сложность использования этого метода заключается в том, что редко удается найти идеальный аналог для будущего события. Некоторые называют этот тип прогнозирования распознаванием закономерностей. Он остается полезным методом наблюдения за осадками над областями с недостатком данных, такими как океаны, а также для прогнозирования количества и распределения осадков в будущем. Схожая техника используется в прогнозировании на среднесрочную перспективу, известная как телесвязи, когда системы в других регионах используются для определения местоположения другой системы в рамках окружающей обстановки. Примером телесвязей является использование явлений, связанных с Эль-Ниньо – Южной осцилляцией (ЭНСО).

Обнародование прогнозов

Большинство конечных пользователей прогнозов – это представители широкой общественности. Грозы могут вызывать сильные ветры и опасные удары молний, которые могут приводить к гибели людей, отключениям электроэнергии и масштабным повреждениям от града. Сильный снег или дождь способны парализовать транспорт и торговлю, а также вызывать наводнения в низинах. Экстремальная жара или холода могут привести к заболеваниям или смерти людей, не имеющих доступа к надлежащим коммунальным услугам, а засухи – к проблемам с водоснабжением и гибели растительности. В ряде стран государственные учреждения предоставляют прогнозы, а также оповещения, предупреждения и рекомендации населению для защиты жизни и имущества и поддержания коммерческих интересов. При представлении информации в полезной и понятной форме необходимо учитывать потребности конечного пользователя в прогнозе погоды. Примерами служат Национальная метеорологическая служба Национального управления океанических и атмосферных исследований (NWS) и Метеорологическая служба Канады (MSC). Традиционно основными каналами распространения информации о прогнозах погоды были газеты, телевидение и радио. Кроме того, в некоторых городах использовались метеорологические сигнальные вышки. В настоящее время интернет используется все чаще благодаря огромному объему доступной специализированной информации. Во всех случаях эти каналы регулярно обновляют свои прогнозы.

Сильные погодные предупреждения и предупреждения

Основная часть современной практики прогнозирования погоды – это оповещения и предостережения о неблагоприятных погодных явлениях, которые национальные метеорологические службы выпускают при ожидании сильной или опасной погоды. Это делается для защиты жизни и имущества. К наиболее известным оповещениям относятся предупреждение о сильных грозах и торнадо, а также наблюдение за сильными грозами и торнадо. К другим видам оповещений относятся зимняя погода, сильный ветер, наводнения, тропический циклон и туман. Оповещения и предостережения о неблагоприятных погодных явлениях транслируются через средства массовой информации, включая радио, с использованием систем экстренного оповещения, таких как Система экстренного оповещения, которые прерывают обычное вещание.

Прогноз низкой температуры

Прогноз минимальной температуры на текущий день рассчитывается на основе самой низкой температуры, зафиксированной с 19:00 текущего вечера до 7:00 следующего утра. Таким образом, говоря кратко, прогнозируемая минимальная температура на сегодня, вероятнее всего, будет минимальной температурой завтрашнего дня.

Авиационный трафик

Поскольку авиационная отрасль особенно чувствительна к погодным условиям, точный прогноз погоды имеет решающее значение. Туман или крайне низкая облачность могут препятствовать посадке и взлету многих самолетов. Турбулентность и обледенение также представляют собой серьезную опасность в полете. Грозы являются проблемой для всех воздушных судов из-за сильной турбулентности, вызванной восходящими потоками и границами оттока, обледенения из-за интенсивных осадков, а также крупного града, сильного ветра и молний, все из которых может привести к серьезным повреждениям самолета в полете. Вулканический пепел также представляет значительную проблему для авиации, поскольку в пепельных облаках самолеты могут потерять тягу двигателей. В повседневной практике авиакомпании выбирают маршруты с учетом попутного струйного течения для повышения топливной эффективности. Перед взлетом экипажи получают информацию об ожидаемых условиях по маршруту и в пункте назначения. Кроме того, аэропорты часто меняют используемую взлетно-посадочную полосу, чтобы использовать преимущества встречного ветра. Это сокращает необходимую длину разбега и устраняет возможность бокового ветра.

Морской

Коммерческое и рекреационное использование водных путей может быть существенно ограничено направлением и скоростью ветра, периодичностью и высотой волн, приливами и осадками. Эти факторы могут влиять на безопасность морского судоходства. В связи с этим были разработаны различные кодировки для эффективной передачи подробных морских прогнозов погоды капитанам судов по радио, например, MAFOR (морской прогноз). Типичные прогнозы погоды могут приниматься в море посредством RTTY, Navtex и Radiofax.

Сельское хозяйство

Фермеры полагаются на прогнозы погоды, чтобы решить, какие работы выполнять в конкретный день. Например, сушка сена возможна только в сухую погоду. Продолжительные периоды засухи могут погубить урожай хлопка, пшеницы и кукурузы. Хотя засуха может уничтожить урожай кукурузы, ее высушенные остатки можно использовать в качестве кормовой добавки для скота в виде силоса. Морозы и заморозки наносят серьезный ущерб урожаю как весной, так и осенью. Например, персиковые деревья в полном цвету могут потерять весь будущий урожай персиков из-за весенних заморозков. Цитрусовые сады могут сильно пострадать от морозов и заморозков, независимо от времени их наступления.

Лесоводство

Прогнозирование ветра, осадков и влажности необходимо для предотвращения и тушения лесных пожаров. Индексы, такие как индекс пожароопасной погоды и индекс Хайнса, разработаны для определения территорий, наиболее подверженных риску возникновения пожаров от природных или антропогенных факторов. Прогнозирование погоды также позволяет предсказывать условия, благоприятные для развития вредных насекомых.

Коммунальные предприятия

Компании, поставляющие электроэнергию и газ, используют прогнозы погоды для прогнозирования спроса, который может сильно зависеть от погодных условий. Они используют показатель, называемый градус-день, чтобы определить интенсивность использования отопления (градус-день на отопление) или охлаждения (градус-день на охлаждение). Эти показатели основаны на среднесуточной температуре. Более низкие температуры приводят к увеличению градус-дней на отопление (один градус-день на каждый градус Фаренгейта), а более высокие – к увеличению градус-дней на охлаждение. Зимой сильные морозы могут вызвать резкий рост спроса, поскольку люди увеличивают использование отопления. Аналогично, летом всплеск спроса может быть связан с повышенным использованием систем кондиционирования воздуха в жаркую погоду. Предвидя рост спроса, коммунальные предприятия могут закупить дополнительные объемы электроэнергии или природного газа до повышения цен, или, в некоторых случаях, ограничить поставки посредством частичного или полного отключения электроэнергии.

Другие коммерческие компании

Частные компании все чаще оплачивают индивидуальные прогнозы погоды, чтобы повысить свою прибыль или избежать значительных убытков. Например, сети супермаркетов могут изменять ассортимент товаров на полках, предвидя изменение потребительского спроса в зависимости от погодных условий. Прогнозы погоды также используются для инвестиций на товарных рынках, в частности, во фьючерсы на апельсины, кукурузу, сою и нефть.

Королевские ВВС

Мобильное подразделение Королевских ВВС, работающее совместно с Метеорологическим бюро Великобритании, составляет прогнозы погоды для регионов, где находятся британские и союзные военнослужащие. Группа, дислоцированная в лагере Бастион, предоставляет прогнозы погоды для британских вооруженных сил в Афганистане.

ВМС США

Как и в частном секторе, военные метеорологи предоставляют информацию о погоде военным. Военные метеорологи предоставляют пилотам прогнозы погоды перед вылетом и во время полета, а также обеспечивают защиту ресурсов в режиме реального времени для военных объектов. Морские метеорологи составляют прогнозы погоды для акваторий и судов. Военно-морские силы США оказывают специальную услугу как своим подразделениям, так и остальным федеральным органам власти, выпуская прогнозы тропических циклонов в Тихом и Индийском океанах через свой Объединенный центр предупреждения о тайфунах.

Военно-воздушные силы США

В Соединенных Штатах, Air Force Weather предоставляет прогнозы погоды для Военно-воздушных сил и Армии. Прогнозисты ВВС США обеспечивают поддержку воздушных операций как в военное, так и в мирное время, а также оказывают поддержку Армии; техники морской науки Береговой охраны США предоставляют прогнозы для судов, включая ледоколы, и других операций в их зоне ответственности; а морские прогнозисты поддерживают наземные и воздушные операции Корпуса морской пехоты США. Первоначальную техническую подготовку по метеорологии все четыре рода войск проходят на авиабазе Кислер. Военные и гражданские синоптики активно сотрудничают в анализе, разработке и оценке продуктов прогнозирования погоды.