МЕТЕОзависимость

[Craus]

Погоду не выбирают. В отличие от прогнозов погоды. Но можно ли быть уверенным в их правоте? Еще совсем недавно все прогнозы были «макро» и уже поэтому заведомо неточными. Сегодня ситуация иная: к масштабу «макро» можно добавить «мезо» и «микро», чтобы получить объективную картину. Ведь это только в стихах у природы нет плохой погоды…

Тихая революция

Как много изменилось за последние 15 лет в мире морских метеопрогнозов!

1998 год. Финляндия. Мой первый поход на яхте Л-6 за границу. Капитан и старпом стоят у стенда в марине Котки, изучая факсимильную карту погоды, только что вывешенную менеджером марины. Загадочные кривые изолиний, жирные дуги фронтов и логарифмическая шкала скорости ветра в углу – все это выглядит для меня так же, как курс ядерной физики для неандертальца. Впрочем, и опытные яхтсмены явно испытывают проблемы: ясно, что на нас движется холодный фронт, но какой силы будет ветер, определить по карте сложно. В ход идет вывешенный рядом текстовый прогноз. Принято решение выходить, хотя перспективы на ветер очень туманные: от 4 до 6 баллов. Ясно одно: шторма не будет, и это уже хорошо. Во время перехода штурман внимательно следит за показанием барографа, не забывая заводить его, записывает в журнал изменения атмосферного давления, облачности и видимости. По изменению характера облачности и барической тенденции мы оцениваем происходящее в атмосфере – слава богу, все примерно совпадает с прогнозом…

Теперь все по-другому, и это результат нескольких тихих, но настоящих революций в метеорологии. Ушли в прошлое бумажные карты погоды, а вывешивание распечаток в офисах марин стало скорее традицией, чем необходимостью. Сначала в наиболее продвинутых странах, а затем и повсеместно свежие метеопрогнозы стали доступны в Интернете.

Обычным делом стало и получение погодной информации в GRIB-файлах – формате обмена данными о погоде между метеослужбами разных стран, который оказался удобен для получения информации в интересующем шкипера регионе, что экономило дорогой мобильный и спутниковый интернет.

GRIB (gridded binary) – это формат, который разрабатывался для обмена и хранения архивной погодной информации. С шагом в один или несколько часов он описывает изменяющиеся погодные условия в «узлах» заданной географической сетки. GRIB-файлы могут содержать информацию об атмосферном давлении, ветре, осадках, температуре, направлении и скорости течения, высоте волн, десятки других параметров.

Наверное, 90%, если не 99, шкиперов в наши дни пользуются для получения прогнозов GRIB-файлами.

Удобный интерфейс, неплохая детализация, и платить не надо. Казалось бы, GRIBы должны вытеснить из арсенала яхтсмена все другие источники прогноза, однако многих шкиперов (и меня в том числе), поверивших было в GRIB-файлы, как в святой Грааль яхтенной метеорологии, вскоре постигло разочарование. GRIBы систематически занижали показания ветра, игнорировали «зоны ускорения» и 40-узловые шквалы. При этом яхтенные учебники не поспевали за новыми тенденциями, а самые авторитетные шкиперы и инструкторы не могли объяснить, как может врать 24-часовой прогноз, выданный не кем-нибудь, а Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA)? Преподавая курс метеорологии в парусной школе, я в числе прочего всегда говорил, что «грибам» не надо верить на 100%, но на вопрос «Почему?» всегда придумывал какие-то обтекаемые ответы.

Разгадка забрезжила, когда я на личном опыте убедился, что по какой-то причине прогнозы хорватских и словенских синоптиков точно предсказывают антициклоническую бору, в то время как GRIB-файлы из программ GRIB.US и zyGRIB показывают лишь легкий ветер. Та же история повторилась в Норвегии: сайт yr.no оказался в разы точнее GRIB-файлов.

Внимательное изучение сайтов метеорологических ведомств привело меня к открытию мира погодных математических моделей, используемых в прикладной метеорологии и лежащих в основе получаемых яхтсменами прогнозов.

GFS и GRIB

Самой распространенной моделью, используемой в прикладной метеорологии и лежащей в основе получаемых яхтсменами прогнозов, является модель GFS. Собственно, данные, полученные по этой модели, вы и скачиваете из GRIB.US, zyGRIB или pocketGRIB.

GFS расшифровывается как Global Forecast System (Глобальная система прогнозирования). Эта метеорологическая модель создана американским государственным агентством NCEP (National Centers for Environmental Prediction), которое является подразделением всесильного NOAA.

GFS-модель обновляется четыре раза в день (00:00, 06:00, 12:00 и 18:00 UTC). Разрешение (сетка) этой модели невелика: хотя сама модель имеет разрешение 27–35 км, в GRIB-файлах используется сетка в 0.5 градуса (примерно 50 км).

У GFS несколько достоинств: во-первых, эти данные предоставляются американцами бесплатно. Во-вторых, прогнозы в GFS делаются аж на 384 часа вперед. В-третьих, прогнозы этой модели покрывают весь земной шар.

Существует множество бесплатных и недорогих программ, которые могут скачивать GRIB-файлы с данными модели GFS.

Нужно лишь выбрать мышкой на карте интересующий вас регион, нажать кнопку Download – и у вас на руках подробный прогноз погоды.

Популярные браузеры – программы zyGRIB (Windows) и pocket GRIB (Apple). Набирает популярность и погодный модуль к пакету Navionics for iPad. Что выбрать? В принципе все «просматривающие» программы устроены примерно одинаково. Подводя мышь к интересующей вас точке, вы можете узнать скорость ветра, высоту волн, температуру, другие параметры. Также можно прокручивать время на карте вперед и назад (обычно с интервалом в 3 или 6 часов), наблюдая за развитием погодных условий. Заметим к месту, что, кроме программ-браузеров загруженные GRIB-файлы можно подгружать в навигационные картографические программы, такие как MaxSea, Navionics for iPad/iPhone.

Немного науки

Глобальные изменения погоды в крупном масштабе – над целыми странами и континентами – во многом зависят от горизонтальной циркуляции воздуха в атмосфере. Циклоны, антициклоны, фронты – все это явления синоптического или макромасштаба.

В среднем масштабе, или мезомасштабе, помимо циркуляции воздуха на погоду существенно влияет рельеф земной поверхности. Кроме того, ее изменения в значительной мере обусловлены воздействием вертикальных движений воздуха – конвекцией. Образование морских бризов, катабатические ветры (бора) – это явления мезомасштаба.

Наконец, в микромасштабе изменения погоды связаны с разнообразием местных ландшафтов и даже с влиянием человека: городская застройка, вырубка леса и т. п.

Еще в 1904 году норвежский физик и метеоролог Виильгельм Бьеркнес указал, что для описания атмосферных процессов можно использовать систему из 7 уравнений гидротермодинамики с 7 неизвестными. Решение этой системы уравнений для построения модели атмосферы составляет суть метода числового прогнозирования.

Так называемая квазигидростатическая модель атмосферы требует шага сетки модели более 10 км, что позволяет вносить существенные упрощения в систему уравнений.

С этими упрощениями можно рассчитывать модели макромасштаба, к которым можно отнести модель GFS. Но если шаг менее 10 км, то систему уравнений необходимо использовать без упрощений, и в этом случае модель атмосферы принято называть негидростатической. Для таких вычислений требуется большая компьютерная мощность и подробные топографические карты местности.

В конце XX века мощность компьютеров наконец-то достигла пределов, когда появилась возможность оперативно создавать негидростатические модели. Соответственно стали доступны мезомасштабные прогнозы для отдельно взятого региона. Вплоть до шага в 300 метров и такой деталировкой, как усиление ветра у мысов, заходы ветра у берега… Понятно, что такими подсказками не замедлили воспользоваться профессиональные гонщики, скажем, America’s Cup.

Макро- и мезомасштаб

Итак, системы прогнозов в макромасштабе дают представление, как будет развиваться погода с точки зрения глобальных процессов. Среди этих систем модель GFS, европейская модель ECMWF, российская СМ и некоторые другие. Именно эти системы используются для составления знакомых всем, кто изучал яхтенную метеорологию, синоптических карт с дугами фронтов и лабиринтами изобар. Использование карт и GRIB-файлов с данными макромасштаба целесообразно, когда надо ознакомиться с общими тенденциями развития погоды на следующие несколько дней.

Системы прогнозирования мезомасштаба используют более точные региональные модели и способны предсказывать местные явления, которые проскакивают между пальцев глобальных прогнозов. За это приходится платить существенным сокращением срока прогнозирования, обычно мезомасштабные прогнозы даются на ближайшие 48 часов.

Каждая уважающая себя морская держава в наши дни делает свои оперативные региональные прогнозы. Из наиболее доступных яхтсменам можно выделить следующие

ALADIN (Aire Limitée Adaptation dynamique Développement InterNational)

В основу ALADIN легли разработки метеослужбы Франции и метеоцентров Центральной Европы, таких как Австрия, Венгрия, Румыния, Словения, Чехия и Хорватия. Центральный офис группы находится в Праге. Оперативные прогнозы ALADIN доступны с сайтов метеослужб каждой из стран – участниц проекта. Наиболее ценным для яхтсменов является сайт prognoza.hr, который с хорошей степенью точности и с хорошим разрешением предсказывает метеоявления в Адриатике. К сожалению, все данные представлены на сайте в виде метеорологических карт – GRIB-файлы широкой публике не предоставляются.

HIRLAM (High Resolution Limited Area Model)

Это совместная разработка метеослужб скандинавских стран и Испании. Группа HIRLAM тесно сотрудничает с ALADIN с целью создания мезомодели нового поколения HARMONIE. Метеоданные HIRLAM доступны с десятков сайтов. Ирландия, Испания, Норвегия и многие другие страны дают свои краткосрочные прогнозы, используя именно эту модель.

Особый интерес представляет сайт yr.no (http://om.yr.no/verdata/grib,/), на котором можно скачать GRIBы для Северного моря, Скагеррака, Осло-фьорда и берегов Норвегии. Жемчужина коллекции – GRIB для Северной Европы, содержащий погодные данные с сеткой в 10 км. Но осторожно: его размер – 13Мб – и плотная сетка данных может привести популярную программу zyGRIB на нетбуке в состояние, близкое к полному зависанию.

Сайт aemet.es (http://www.puertos.es/oceanografia_y_meteorologia/redes_de_medida/index.html)

может оказаться полезным, например, собирающимся на Канары или в прибрежные воды Испании: ни погодных карт, ни GRIB-файлов на нем нет, но есть полученный при помощи HIRLAM прогноз для основных портов и некоторых промежуточных точек на побережье.

Итальянский сайт Consorzio LaMMA (http://www.lamma.rete.toscana.it/meteo/modelli/vento-e-mare)

Это онлайн-отображение мезомасштабной модели WRF, американской мезомасштабной модели, которую используют для своих прогнозов многие погодные службы Европы. Фактически LaMMA дает бесплатно тот же прогноз, что и другой популярный, но платный сайт previmeteo360.com

Прогноз в «облаках»

Придирчивый читатель, наверное, уже кривит губы: ну и что нового? Все опытные яхтсмены знают, что GRIBы врут, что нужно пользоваться местными прогнозами и что prognoza.hr хорошо предсказывает бору. О чем статья-то?

Отвечаю – о переменах. Если вы не жили последние два года в каменной пещере, высекая обсидиановым топором лодку-долбленку, то наверняка хотя бы краем уха слышали термин cloud computing, или «облачные системы». Не слышали? Тогда мы живем с вами в соседних пещерах, потому что я тоже пропустил эту очередную революцию в мире компьютеров и тесно связанным с ним миром метеорологии.

Если вкратце, то суть в том, что ураганными темпами стали развиваться услуги предоставления через Интернет вычислительной мощности по запросу пользователя. До свидания, привычный «майкрософт офис», теперь все приложения могут жить где-то в «облаке» – гигантской компьютерной «ферме», расположенной неизвестно где – то ли в США, то ли в Таджикистане. Впрочем, вам все равно, где расположен сервер. Вам вполне хватает того, что где бы вы ни были, вы имеете доступ к своему приложению через обычный интернет-браузер.

Развитие «облачных» систем привело к созданию гигантских серверных центров, и вот одно из следствий этого: чтобы посчитать прогноз погоды, уже не нужно строить суперкомпьютер или серверный кластер, достаточно зайти на сайт «облачного хостинга», заплатить несколько долларов кредиткой, и в вашем распоряжении – мощности, достаточные, чтобы посчитать прогноз на сегодня для вашего любимого города.

Мы оказались в эпохе, когда любой студент-программист может взять бесплатную программу, скачать с американского сайта USGS.gov топографическую карту, купить машинное время в «облачной системе» и начать делать свои собственные прогнозы погоды.

Фирмы, предоставляющие услуги метеопрогнозов на заказ, не могли не отреагировать на такие перемены. Сразу несколько компаний выступили с предложением за вполне умеренные деньги рассчитать прогноз на интересующий вас регион с сеткой 4 км (!) или даже точнее.

О чем нужно помнить, заказывая оперативный прогноз мезомасштаба? О том, что одну и ту же модель разные синоптики могут настроить совершенно по-разному и получить, само собой, разные прогнозы. Метеорология все еще остается наукой, и точность прогнозов зависит не только от компьютера, но и от квалификации метеоролога, вводящего данные и интерпретирующего результаты. Более того, в зависимости от интересующих параметров модель может быть «заточена» на прогноз температуры в ущерб, например, скорости ветра. Поэтому внимательно подходите к вопросу выбора поставщика прогнозов и отдавайте предпочтение тем сервисам, которые успели хорошо зарекомендовать себя применительно именно к яхтингу. И чего точно не стоит делать, так это не бросаться в другую крайность и начинать опираться только на полученный за 5 долларов индивидуальный прогноз. Бывает, что ошибаются даже суперкомпьютеры.

«Грибной» суп

Сегодня в Интернете можно найти десятки, если не сотни сайтов, предлагающих платные и бесплатные прогнозы. Из популярных платных сервисов, не вошедших в наш обзор, упомянем следующие: previmeteo360.com, хорошо известный серферам www.windguru.cz в режиме WindGuru «Pro», сайт «Грибы на заказ» – http://www.gribfiles.com.

Получив тот или иной прогноз, обязательно посмотрите, на какой модели он базируется, прежде чем сравнивать его с другими прогнозами. Один мой знакомый утверждал, что сайт passageweather.com точнее и правильнее предсказывает погоду, чем GRIB-файлы, полученные через GRIB.US. Спор завершило сравнение скромной надписи в углу погодной карты passageweather с описанием полученного GRIB-файла: оба источника содержали данные, рассчитанные по одной и той же модели GFS. Неприятным открытием для моего приятеля стало также то, что примерно 80% сайтов, рисующих погодные карты и дающих прогнозы по городам и странам, также «выдергивают» эти данные из модели GFS, совершенно пренебрегая чуть менее доступными, но более точными мезомасштабными моделями.

Формируя свой «портфель прогнозов» перед отправлением в дальний поход или на регату, постарайтесь включить в него 3–5 источников, использующих разные модели. Например, «портфель» автора этих строк на Адриатику на следующую весну выглядит так:

– GRIB-файлы модели GFS (для общей картины);

– профессиональная модель predictwind.com (MM5/WRF);

– windguru «PRO» (WRF);

– prognoza.hr (ALADIN);

– GRIB-файлы yr.no (HIRLAM).

Переход Гибралтар-Канары я планировал, используя:

– GRIB-файлы модели GFS;

– модели GFS и CMC в predictwind.com;

– сайт aemet.es;

– текстовые GMDSS прогнозы, содержащие предсказания о перемещении центра тропического шторма к западу от Канар.

Перебор, скажете вы? Возможно. Если вы не гоняетесь или не скованы рамками сроков перегона яхты, вам будет достаточно бесплатных GRIB-файлов и местного прогноза prognoza.hr. Тем не менее опыт моих знакомых яхтсменов, попробовавших платные сервисы, говорит, что отказываться от них они не собираются, ведь к хорошему так быстро привыкаешь!

Мезомасштаб на всю планету

Среди мезомасштабных прогнозов с точки зрения доступности по ценам и удобству интерфейса первое место (в личном рейтинге автора статьи) держит сайт predictwind.com. Сайт предлагает не одну, а сразу 4 модели: старую добрую GFS, канадскую GMC и инициализированные данными GFS и GMC мезомасштабные расчеты.

Гоночные – однокилометровая и 4-километровая – сетки модели predictwind требуют для расчета значительных компьютерных ресурсов, поэтому до тех пор, пока сайт не получит достаточного количества заявок, нам не увидеть таких сеток на Финский залив и Онежское озеро. Создатели сайта попросили автора этой статьи передать всем заинтересованным российским яхтсменам, что если они хотят увидеть расчет подробной модели для своего региона, им достаточно зарегистрироваться на сайте и оставить заявку, кликнув в нужном месте погодной карты. Расчет прогноза начинается, когда оператор видит, что в каком-то регионе имеется достаточное количество потенциальных пользователей, – это является основанием для оправдания необходимого расхода «облачного» времени.

В апреле 2012 года я связался с основателем сайта Джоном Билджером и попросил его предоставить мне доступ к платным услугам сайта для всестороннего тестирования. Создатели сайта любезно согласились предоставить нам доступ к профессиональной модели с сеткой в 1 км на период испытаний.

В течение сезона 2012 года мы тестировали прогнозы сайта predictwind в морских походах у атлантического побережья Франции, у Канарских островов, в Черногории, в прибрежных плаваниях по Балтике.

Сайт хорошо показал себя в дальних переходах. Например, на этапе Мессина (Италия) – Бар (Черногория) модель GFS и текстовый прогноз итальянской метеослужбы предупреждали о встречном 7-балльном ветре от северо-востока в Ионическом море. Однако анализ прогноза predictwind показал, что под самым берегом нас ждет более слабый ветер, до 4 баллов от севера. Этот прогноз полностью оправдался и позволил нам прийти в порт назначения вовремя.

На переходе Кальяри-Майорка в августе мы использовали predictwind для оценки силы «мистраля» – северный шторм сбил наш график перехода, и мы ждали момента, когда сможем выйти в море. GRIB-файлы модели GFS показывали в открытом море умеренный ветер до 20 узлов, однако predictwind предупреждал нас о 3–4-метровой волне и ветре в 25–28 узлов с порывами до 35. Мы поверили модели мезомасштаба и задержались на 8 часов. Только выйдя из-за ветровой тени Сардинии, стало понятно, насколько верным было это решение: в море дул ослабевающий, но устойчивый ветер в 23–25 узлов и высота волны показывала, что если бы мы поверили модели GFS, то нас ждал бы бейдевинд против 7-балльного ветра и соответствующей волны.

Не обошлось и без курьезов. На весенней регате в Хорватии мы лидировали в гонке Каштела–Трогир. Доверившись километровой модели, я ушел «в берег» и там, заштилев, наблюдал, как соперники, ушедшие мористее, несутся на всех парусах к финишу.

По результатам тестирования я снова связался с Джоном Билджером и задал ему несколько недоуменных вопросов. Ответ был обескураживающим: в слабый ветер ни одна существующая модель не может с точностью предсказать силу и направление ветра. Модель может показать, например, формирование кучевого облака и усиление ветра рядом с ним, а в реальности облако сформируется левее или правее… Если говорить о сетке менее километра, которая могла бы дать более точный результат, то для ее расчета потребуются несоизмеримо большие компьютерные мощности, и стоимость прогноза будет крайне высокой. «Но это же хорош, – утешил меня Джон. – Что бы стало с парусным спортом, если бы наш айфон мог предупреждать нас о следующем порыве, с точностью предугадывая силу и направление захода ветра?»

Увидеть и понять

Те просмотровые программы GRIB-файлов, что попроще, показывают скорость и направление ветра только в виде условных хвостатых стрелочек на карте. Это не очень удобно, поскольку в качестве стрелок показываются средние значения ветра (wind) и опускаются данные о скорости ветра на порывах (wind gusts). Более сложные программы, такие как, например, zyGRIB, покажут, что среднее значение ветра в интересующей нас точке 15 узлов, но на порывах можно ждать 25 узлов.

В последнее время вместе с моделью GFS многие программы подгружают данные о волнении – волновой модели FNMOC-WW3. Сама по себе модель GFS не генерирует информацию о том, что происходит с волнами, поэтому на основе ее данных запускается дополнительная компьютерная модель. В ней есть информация как об остаточной зыби (swell), так и о ветровой волне (wind), отдельным параметром идет вероятность появления срывающихся гребней волн (whitecaps). Как и в случае с ветром, в информации о волнении нам интересна не только средняя высота волн, но и максимальная высота волн и их период. Также важен и период волны: чем он меньше, тем волна круче. Например, безопасная океанская зыбь высотой в 2,5 метра будет иметь период порядка 10–12 секунд. А средиземноморская волна той же высоты с периодом примерно 6–7 секунд может превратить двухчасовую прогулку в бейдевинд в тяжкое испытание.

Многие шкиперы напрасно игнорируют дополнительные параметры, содержащиеся в GRIB-файлах, такие как температура, влажность и точка росы. Если вы ходите в северных водах, то вам быстро станет понятна связь между появлением тумана и текущей разницей между температурой воздуха и точкой росы. Туман возникает, когда температура на уровне моря сравнивается с точкой росы и конденсация воды из пара начинается прямо на уровне моря. zyGRIB позволяет просматривать параметр dew point gap – разность между температурой и точкой росы и прогнозировать вероятность появления тумана на маршруте.

Если говорить о недостатках GRIB-файлов GFS модели, то один из главных – они не покажут, как расположены фронты в проходящей через ваш регион фронтальной погодной системе. Такая информация в GRIB-файлы не заложена, соответственно они не учтут и резкого усиления ветра при прохождении холодного фронта. Иногда, правда, удается по резкому повороту ветра по часовой стрелке на погодной карте предугадать прохождение фронта, но насколько интенсивным будет это прохождение, остается только гадать. Для того чтобы увидеть, как расположены атмосферные фронты, используйте карты IAC fleetcode, которые можно загрузить в zyGRIB на текущий и на следующий дни, или скачивайте с сайтов NOAA и MetOffice «классические» карты с прогнозом погоды.

Авторы модели GFS честно предупреждают, что не стоит излишне доверять долгосрочным прогнозам, и постоянно работают над улучшением их качества. Что касается причин ошибок в прогнозировании, то чаще всего называются неверные данные, получаемые с сотен метеостанций, погрешности программирования и недостаточная мощность суперкомпьютеров. Самое же неприятное ограничение, накладываемое GFS, – это пресловутая сетка в 30 миль. Во многом из-за нее GFS плохо учитывает такие «милые» местные явления, как бора, зоны ускорения ветра у мысов и между островами, грозы и шквалы. Если вам доводилось хотя бы раз столкнуться с адриатической борой в 40 узлов при стабильном прогнозе на 10–15 узлов в GFS, вы понимаете, о чем я. Зато если вы больше доверяли прогнозам местных метеослужб, то подобной встречи вы могли и избежать…

Текст Федора Дружинина