Облачно, временами осадки: как метеорологи составляют прогнозы погоды и что для этого нужно

В создании прогноза принимают участие специалисты самых разных профессий — от метеорологов до дата-инженеров, в этом им помогают наземные метеостанции, спутники и суперкомпьютеры. Вместе с Александром Ганьшиным, руководителем «Яндекс Погоды», экспертом «Урока цифры» от «Яндекса» «Технологии, которые предсказывают погоду», разбираемся, как строятся прогнозы, зачем метеорологам нейросети и цифровой двойник Земли.

С чего начинается прогноз погоды

Сначала метеорологи получают данные о фактической погоде: измеряют температуру, количество осадков, скорость ветра и десятки других показателей. Чем они точнее, тем понятнее, как погода изменится в дальнейшем. Собирают метеоданные сразу несколькими способами. Во-первых, на метеостанциях. В море это плавающие буйки, на земле — будки с установленными внутри термометрами, гигрометрами, барометрами, осадкомерами и другими приборами.

За каждой станцией закреплены специалисты, которые собирают данные об актуальной погоде. В Москве три метеостанции, по всей стране — около тысячи, все они курируются Всемирной метеорологической организацией под эгидой ООН. Только в России в сутки проводится около 8000 измерений — все делается вручную, вне зависимости от локации, будь то центр мегаполиса или метеостанция в Арктике.

Во-вторых, данные собирают с помощью спутников. В эту секунду спутниковые фото делают, например, японский Himawari 9, американский GOES-17 и европейский Meteosat-11. Они отслеживают температуру поверхности Земли, количество облаков, скорость ветра, выбросы от вулканов, дым от лесных пожаров, песчаные и пыльные бури, высоту и крутизну волны.

Аэродинамический зонд — еще один инструмент для сбора данных о погоде. Он похож на воздушный шар, но вместе с гелием в нем — датчики для измерения температуры, влажности и атмосферного давления, а также батарейки и антенны, с помощью которых данные передаются на Землю. Такой беспилотный аэростат поднимается на высоту до 30-40 км, то есть на уровень стратосферы, и лопается там от избыточного давления.

Наконец, метеорологические радары обнаруживают опасные погодные условия: грозу, град, а также зоны интенсивных осадков и турбулентности, поэтому их часто устанавливают на территории аэропортов. Радары сканируют атмосферу, излучая и принимая волны, и фиксируют осадки, в том числе на дальнем расстоянии.

Сбор данных в цифрах

Ежедневно для оценки погодных условий по всему миру используют более 10 000 метеостанций, в том числе 100 пришвартованных и 1 000 дрейфующих буев, а также 1 000 станций радиозондирования, 7 000 кораблей, несколько сотен метеорадаров и 3 000 специально оборудованных коммерческих самолетов. Вдобавок к этому работают 16 метеорологических и 50 исследовательских спутников, которые находятся на орбите Земли.

За этими инструментами стоят тысячи специалистов: они разрабатывают новые приборы, занимаются запуском спутников и зондов, управляют радарами, работают на полярных станциях и высокогорных плато, а также следят за погодой в реальных условиях.

Что такое метеомодели

Полученную информацию о погоде передают в центры обработки данных или сокращенно ЦОД. В России одна из таких организаций — Гидрометцентр, в Европе — ECMWF (Европейский центр прогноза погоды), а в Америке — NOAA (Национальное управление океанических и атмосферных исследований).

Каждый центр делает свой собственный прогноз на суперкомпьютере с помощью метеорологической модели — цифрового двойника Земли. Это симулятор всех процессов, происходящих на планете: движения атмосферы и океанов, местонахождения ледников, гор, лесов и т.д.

Рассчитать погоду без температуры, давления, влажности, силы и направления ветра невозможно. Это основные параметры уравнений, в которые метеомодель подставляет собранные о погоде данные. Также используются дополнительные показатели — их насчитывают до 150. Например, температура и влажность почвы, высота облачности, дальность видимости и другие параметры.

Чтобы создать двойник-симулятор Земли, нужны научные знания и наблюдения о том, как устроена погода. Их поиском занимаются ученые-метеорологи: они исследуют планету и отмечают определенные закономерности. Затем данные о наблюдениях переводятся в числовой формат: специалисты по вычислительной математике создают модель, а программисты прописывают для нее код.

Причем большинство современных метеомоделей написаны на базе Фортрана — одного из первых языков программирования, созданного еще в 1950-е годы прошлого столетия. В отрасли его называют «золотым стандартом» и применяют до сих пор.

Как метеорологам пригодилось уравнение начала ХХ века

В среднем метеорологическая модель считает прогноз погоды в течение 4 часов. Расчет происходит 4 раза в сутки, а базируется он на уравнениях, разработанных еще в 1920 году. Тогда английский ученый Льюис Ричардсон предложил метод решения дифференциальных уравнений Бьеркнеса с помощью численных методов. Из-за высокой сложности вычислений и отсутствия машинной мощности его идея получила признание только через десятки лет, но этот принцип эффективно работает и сегодня.

Метеорологическая модель запускается на суперкомпьютере, который по мощности сравним с работой, как минимум, 10 000 обычных ноутбуков, автоматически загружает постоянно обновляемые данные о погоде и проводит необходимые расчеты.

Метеопрогнозирование — одна из самых ресурсоемких задач в мире. Для ее выполнения нужны суперкомпьютеры, искусственный интеллект, узкие специалисты и хранилища, способные вместить в себя петабайты данных (для сравнения, только 1 петабайт равен 1 048 576 гигабайтов). Например, сервис «Яндекс Погода» в день обрабатывает 4 терабайта данных. С такими объемами работают специально обученные дата-инженеры.

На помощь приходит искусственный интеллект

Ни одна метеорологическая модель не может измерить сложную и многомерную структуру атмосферы без ошибок. Чтобы снизить их количество, используют искусственный интеллект, способный обучаться на исторических данных работы разных метеомоделей, сравнивая фактическую погоду за определенный период с прогнозами на это время и анализируя, где именно возникли ошибки.

Затем искусственный интеллект находит новые закономерности для коррекции будущих измерений. Так прогнозы становятся все более точными. Настраивают этот процесс специалисты по машинному обучению (дата-саентисты и дата-инженеры) — именно они отвечают за обучение искусственного интеллекта.

Помимо них, для работы с метеопрогнозами задействуются специалисты других областей: аналитики, специалисты по вычислительной математике, метеорологи, которые собирают новые данные об устройстве погоды для улучшения измерений. А чтобы прогноз дошел до человека, привлекаются специалисты по мобильной разработке и пользовательским интерфейсам. Они делают так, чтобы мы могли видеть метеосводку в приложении или на сайте.

Прогнозирование погоды — это невероятно сложный и интересный процесс, в котором по всему миру ежедневно задействованы десятки тысяч людей, использующих современные технологии и научные знания о нашей планете. Сложную и многомерную структуру атмосферы описать не так просто, но благодаря труду специалистов и развитию технологий прогноз погоды становится все более точным.

Узнать еще больше о профессиях, которые делают прогнозы, и работе метеорологической модели можно на «Уроке цифры» Яндекса «Технологии, которые предсказывают погоду». Проходя интерактивные задания и изучая полезные материалы, получится попробовать себя в роли метеоролога и понять, как устроено создание метеосводок.