В поисках ключа к тайнам погоды

За последние 20-25 лет в различных странах мира учеными разработано много довольно сложных математических моделей для расчета будущего состояния погоды. В каждой из них в той или иной степени детализации учитываются все основные физические процессы и явления, протекающие в атмосфере, океане и почве. Для практического использования таких моделей в качестве прогностического инструмента необходимо знать текущее состояние атмосферы, океана и почвы, то есть иметь количественную, подробную информацию об их состоянии. И конечно же, нужно иметь достаточно мощное техническое средство для реализации моделей - быстродействующую электронно-вычислительную машину. Все эти три компонента - модель, информация и ЭВМ, именуемые прогностической системой, определяют качество прогнозов. Но каждый из перечисленных компонентов прогностической системы несовершенен.

Модель невозможно сделать абсолютно адекватной природе. В ней существуют различного рода аппроксимации (приближения) и параметризации, которые вносят в результаты расчетов "шум" и ошибки. "Компьютерные глобальные модели - это пока своего рода искусство, поскольку нам никогда не удается достичь того уровня, на котором происходят физические процессы", - говорит директор Европейского метеорологического центра Леннарт Бенгтссон. Начальная информация также содержит "шум", связанный с неполнотой данных наблюдений, их плотностью и точностью измерений. Таким образом, ошибки, содержащиеся в начальной информации и в самой модели, а также создаваемые ЭВМ за счет округлений при вычислениях, в процессе работы модели (во время прогноза) порождают новые ошибки, "шум". Этот "шум" из-за нелинейности уравнений модели со временем растет и через определенный момент времени (примерно через неделю) оказывается доминирующим над полезной информацией. Такое свойство модели породило отмеченный нами выше так называемый теоретический предел предсказуемости погоды не более чем на 7-10 дней.

Обычно в подобной метеорологии - области науки - принято проводить эксперименты. Но как можно экспериментировать с погодой? В каком-то узком масштабе это возможно, но, безусловно, не в мировом. А для того чтобы понять и использовать для долгосрочного прогноза закономерности атмосферы как единой целостной физической системы, метеорология нуждается прежде всего во всеобъемлющей, глобальной информации о многообразных процессах, происходящих в воздушном океане и подстилающее поверхности. При отсутствии точных данных о поведенш атмосферы на всем земном шаре в течение определенной периода времени, хотя бы в течение года, нельзя, невозможно судить о справедливости тех или иных допущений, которые неизбежно делаются при построении теории движения атмосферы - теоретической основы прогнозов погоды. Хорошо осознавая это, метеорологи давно вынашивали идею создания глобальной системы наблюдений, которая позволила бы выявить те физические процессы, которые определяют формирование крупных аномалий погоды на долгий срок. Реализация этой идеи стала возможной с появлением спутников и накопленным в СССР и США в 60-е и 70-е годы опытом эксплуатации метеорологических космических систем совместно с наземными системами наблюдения за атмосферой.

11 лет длилась под эгидой Всемирной метеорологической организации и Международного совета научных союзов подготовка грандиозного международного мероприятия - Первого глобального эксперимента Программы исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). В нем приняли участие более 50 государств, в том числе и Советский Союз.

Временная глобальная наблюдательная система начала функционировать 1 декабря 1978 года и завершила работу 1 декабря 1979 года. Основой системы являлась традиционная сеть наблюдений Всемирной службы погоды: свыше 2500 синоптических станций (из них в СССР - более 500), ведущих наблюдения за погодой у земли, свыше 700 аэрологических станций (из них в СССР - более 200), зондирующих атмосферу до высоты 30-40 километров, и система полярно-орбитальных метеорологических спутников СССР и США, фотографирующих облачный покров в видимом и инфракрасном диапазонах спектра излучения (некоторые из этих спутников выполняют также дистанционное зондирование атмосферы - фиксируют распределение температуры в атмосфере по высоте в подспутниковом районе). В дополнение, к этой постоянно действующей сети наблюдений были созданы временные наблюдательные системы. Над экватором на высоту 35 800 километров было выведено 5 геостационарных спутников, расположенных примерно на равных расстояниях друг от друга. Обработка последовательных фотографий облаков с этих спутников позволяла определять скорость и направление ветра на нескольких высотах в атмосфере в широтном поясе между 50 градусами с. ш. и 50 градусами ю. ш.

В океанах Южного полушария, а также в Арктике было расставлено более 360 дрейфующих буев, из которых одновременно работало до 206. Эти буи совместно с двумя полярно-орбитальными спутниками образовывали систему для измерения температуры воды и давления на поверхности океана, профиля температуры в атмосфере, а также скорости и направления течений в океане. В экваториальной зоне около 40 научно-исследовательских судов вели наблюдения за ветром и другими метеорологическими и океанографическими величинами. Несколько десятков специально оборудованных пассажирских самолетов измеряли скорость и направление ветра и температуру воздуха по маршруту полета и автоматически передавали эти данные в специальные центры сбора. Были организованы и другие системы наблюдений.

Весь огромный поток метеоинформации практически собирался без потерь благодаря специально созданному плану управления данными. В основном он опирался на метеорологическую глобальную систему телесвязи, но в дополнение к традиционной системе сбора, обработки и распространения гидрометеорологической информации был организован ряд дополнительных центров, которые отвечали за обработку информации, поступающей от специальных наблюдательных средств.

Хотя обработка всей собранной информации еще продолжается и результаты первого глобального эксперимента будут окончательно оценены, вероятно, через несколько лет, уже сейчас можно сказать, что получены важные результаты, в ряде случаев меняющие представления метеорологов о глобальных атмосферных процессах.

До проведения первого глобального эксперимента было общепринято мнение о сравнительно малой изменчивости метеорологических величин в тропической зоне. Считалось также, что в экспериментальном поясе меридиональные движения воздуха малы и поэтому обмен воздушными массами между полушариями не велик, и, следовательно, при математическом моделировании атмосферных движений каждое полушарие можно рассматривать независимо - движения проходят так, как если бы на экваторе существовала стенка, препятствующая доступу воздушных масс из одного полушария в другое. Конечно, это была некоторая идеализация, но считалось, что она близка к действительности из-за малости меридиональных движений. Наблюдения первого глобального эксперимента показали, что воздушные течения в верхней половине тропической атмосферы обладают очень большой изменчивостью, здесь происходит интенсивный обмен воздушными массами через экватор, особенно во время зимы Северного полушария. А это значит, что происходит также интенсивный обмен теплом и влагой. Проведенные численные эксперименты по моделированию атмосферных движений в Северном полушарии совершенно определенно показали, что сходство рассчитанных движений с действительностью существенно ухудшается, если исключить наблюдения Южного полушария, то есть поставить на экваторе стенку. Результаты этих экспериментов с несомненностью свидетельствуют, что численный прогноз погоды по дням на сроки до 10 суток возможен только при условии, если мы будем опираться на глобальные наблюдения за атмосферой.

Впервые за всю историю метеорологии были получены достаточно подробные данные о распределении давления на уровне моря и в свободной атмосфере над океанами Южного полушария в течение годаь, Их анализ позволил установить, что глубокие области низкого давления образуются в умеренных широтах Южного полушария, гораздо севернее Антарктиды. Их смещение позволяет объяснить ранее непонятные внезапные и резкие изменения давления, наблюдавшиеся на некоторых островных станциях Южного полушария. В целом атмосферные движения в умеренных широтах Южного полушария (40-60 градусов ю. ш.) являются более интенсивными, чем предполагалось ранее. Так что "ревущие сороковые" есть следствие этой интенсивной циркуляции атмосферы Южного полушария.

С несомненностью установлено, что атмосферные процессы, происходящие в тропических широтах, влияют на процессы в умеренных и высоких широтах значительно быстрее и значительно более существенно, чем предполагалось ранее. Их влияние обнаруживается уже в пределах 4-5 дней. Это значит, что качество прогнозов на 3-5 дней существенно зависит от наблюдательной системы в тропических широтах, которая в настоящее время требует серьезного улучшения на основе последних достижений науки и техники.

В целом первый глобальный эксперимент убедительно показал, что, если человечество хочет более точно прогнозировать погоду по дням на сроки от 3 до 10 суток, а также месячные и сезонные аномалии погоды, включая засухи и дождливые периоды, ему придется снова построить глобальную систему наблюдений, но теперь уже не временную, а постоянную. Сделать это не так уж трудно, если обратить часть средств, затрачиваемых сейчас во всем мире на вооружение, на построение глобальной системы наблюдений за состоянием атмосферы и океана.

А пока, чтобы пробить брешь в так называемом теоретическом пределе предсказуемости (7-10 дней), по инициативе советских ученых разработана и осуществляется международная научная программа "Разрезы". Работа по этой программе рассчитана до 1990 года.

Известно, что своеобразным накопителем тепла является океан. Океан, как более инерционная, чем атмосфера, среда, медленно накапливает энергию в теплые сезоны года, черпая ее из солнца и атмосферы, а затем, перераспределяя ее в своей среде, постепенно отдает атмосфере в холодный период времени. Программа "Разрезы" предусматривает регулярное слежение за состоянием океана. В комплексных наблюдениях будут участвовать научно-исследовательские суда Госкомгидромета и Академии наук СССР, а также спутники, сообщающие данные о состоянии атмосферы и океана, самолеты-лаборатории, морские буи. Осуществление этой программы, как надеются ученые, позволит через несколько лет собрать уникальный материал, с помощью которого можно будет проверить существующие гипотезы и проводить новые исследования и интересные численные эксперименты с математическими моделями атмосферы и океана. Последующая специальная обработка этой информации позволит создать архив многолетних данных, без которых немыслимы исследования по долгосрочным прогнозам погоды.

Научные поиски этой программы будут направлены на подтверждение с помощью численных экспериментов тех взаимосвязей между настоящей и прошлой погодой, которые были найдены эмпирически на основе существующей довольно бедной информации о состоянии океанов, а также гипотезы об определяющей роли состояния океана для погоды континентальных районов Земли.

Недавно на помощь метеорологии пришла бионика. И это закономерно. Во-первых, "метеорология, - как справедливо отметил известный советский ученый, академик Е. Ф. Федоров, - превратилась в столь важную для всех науку, что о ее будущем должны думать и заботиться сейчас не только метеорологи". Во-вторых, когда человек истощает весь запас своей изобретательности, либо когда время торопит его в решении сложных, крупных, жизненно важных проблем, он неминуемо должен обратиться к живой природе за новым вдохновением, за новыми идеями.

В настоящее время бионикам известно более тысячи различных видов животных и растений, способных "прогнозировать" погоду на несколько дней, на месяц, сезон и даже год. Кроты, например, загодя узнают, на сколько разольется река, и свои подземные сооружения воздвигают выше того уровня, до которого в половодье доберется вода. Медведи умудряются еще осенью определить, какая будет весна, и залегают в берлоге на высоких местах, чтобы обильные талые воды не подмочили им бока. Причудливой и закономерной игрой красок на теле, четко, в деталях пророчествует человеку о будущей зиме зловредная личинка майского хруща, которая в земле терзает корни растений. Если личинка совсем белая - следует ждать крепких морозов; когда ее тельце отдает голубизной - это верный признак, что зима будет теплой; а если голубеет лишь задний конец - сильные морозы ударят только в начале зимы. Обильно цветущий терн предсказывает холодную весну, липкий изнутри стебель камыша - долгую и суровую зиму.

Чем же руководствуются живые организмы, предопределяя погоду на различные сроки?

Живая природа миллионы лет отрабатывала и совершествовала свои творения. В течение всего этого времени животные и растения развивались, разнообразились и приспосабливались к всевозможным изменениям окружающей среды. На каждом этапе, при каждом значительном изменении климата природа изменяла прежние решения. В результате естественного отбора безжалостно отвергалось все, что не могло приспособиться к условиям существования. В ходе эволюционного развития под воздействием всякого рода раздражителей (света, звука, обонятельных сигналов, тепла, холода и т. д.) в живых организмах сформировались многие весьма тонкие органы чувств, высокосовершенные механизмы обмена веществ, преобразования энергии, восприятия, переработки и передачи многообразной информации. Эти "биоинженерные системы" природы функционируют очень точно, надежно и экономично, отличаются поразительной целесообразностью и гармоничностью действий, способностью реагировать на ничтожные, едва уловимые изменения многочисленных факторов внешней и внутренней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них различными приспособительными реакциями. Именно эти высоко чувствительные биометеорологические системы и позволяют животным и растениям с большой точностью прогнозировать погоду.

К сказанному нужно добавить, что в дошедшем до нас русском фольклорном наследстве содержится (если отбросить все вздорное, наносное, что не выдерживает научной критики) не менее 2000 народных метеорологических примет, отражающих показания своеобразных барометров - животных и растений, способных предчувствовать погодные перемены. В них нет фантазии, вымысла, мечты. Выраженные в виде пословиц и поговорок, они издревле на Руси были в ходу во все времена года и являлись подручным средством для распознавания предстоящей погоды на близкие и дальние сроки. Особенно ценными, мудрыми, полезными были "хозяйственные" метеорологические приметы. И нужно отдать должное дальновидности многих русских ученых, которые еще в прошлом веке, по достоинсту оценив непреходящее теоретическое и практическое значение отечественной сокровищницы народных примет для будущей научной метеорологии, призывали своих коллег к самому тщательному изучению русских изречений, касающихся климата и погоды. Вот что, например, писал по этому поводу в 1882 году, более ста лет назад, замечательный знаток сельского хозяйства и крестьянской жизни А. Н. Энгельгардт в своей книге "Из деревни": "Часто, слыша мужицкие поговорки, пословицы, относящиеся до земледелия и скотоводства, я думаю, какой бы великолепный курс агрономии вышел, если бы кто-нибудь, практически изучавший хозяйство, взяв пословицы за тему для глав, написал бы к ним научные физико-физиолого-химические объяснения".

Увы, этот мудрый совет в течение 80 лет не был и не мог быть осуществлен. Для того чтобы дать "научные физико-физиолого-химические объяснения" многочисленным народным приметам и на базе добытых знаний разработать новые более совершенные методы и средства прогнозирования погоды, нужен был принципиально новый подход к проблемам жизни и техники, нужно было соединить воедино интересы метеорологов, биологов, физиологов, математиков, физиков, химиков, инженеров и технологов. Иными словами, нужна была кибернетика (наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах" и обществе) и родившаяся в начале 60-х годов XX века синтетическая наука, "наука-перекресток" - бионика. Только в рамках таких наук может происходить воссоединение, необходимое для научно-технического прогресса.

В свете рассматриваемой нами проблемы - как повысить точность прогнозирования погоды - бионический подход к изучению каждой проверенной веками народной приметы сулит многое. Прежде всего, изучив сами повторяющиеся метеорологические условия в определенные, часто весьма короткие, отрезки времени (их называют узловыми точками погоды) и причины таких повторений, можно обнаружить новые явления и связи в деятельности земной атмосферы. С другой стороны, народные приметы могут, никак не ставя под сомнение прогнозы Всемирной службы погоды, помогать синоптикам в их нелегком труде при прогнозировании атмосферных ситуаций. Наконец, каждая к нам поздно - в середине мая и начинает петь по народной примете, "когда напьется из березового листка", то есть когда на березе образуются такие листочки, что в них могут уместиться капли росы. Другая примета гласит: соловей запел - вода пошла на убыль. Поет соловей месяца полтора - с момента прилета до конца июня. Если вам доведется услышать в это время неумолчное в течение всей ночи пение соловья, знайте - птица вас извещает о наступлении ведренного дня. Она опытный синоптик, и можете вполне довериться ее прогнозу.

Очень точно "работает" воробьиное "бюро погоды". Каждый человек с самого детства знает этих маленьких вороватых птиц. Возле нас они кормятся, согреваются. Их песню - простое чириканье - мы часто вовсе не замечаем. Но стоит ей почему-либо утихнуть, мы чувствуем, что привыкли к этим нехитрым звукам, к бойкому, суетливому проявлению жизни. И если мы расстаемся с родными местами, воспоминание о доме непременно связано с этой серенькой птицей.

В хорошую погоду вездесущие воробьи всегда веселы, подвижны, порой драчливы. Но вот вы замечаете, что бойкие воробьи стали вялыми, притихли, сидят напыжившись, либо собираются на земле, чирикают, купаются в песке: будет дождь. А если воробьи защебечут в продолжительное ненастье, то можно ожидать наступления ясной погоды. Воробьи перелетают стайками с места на место - перед сильным ветром, прячутся под стреху - к буре. Летают кучами - к сухим, погожим дням. Нередко воробьи, обитающие под крышами домов в разных щелях, вдруг среди зимы начинают интенсивно собирать пух и перья около курятников и тащат их в свои укрытия, как будто собираются вить гнезда и выводить птенцов. Оказывается, как показали многолетние наблюдения, чуткие птицы утепляют ночлег. Через несколько дней обязательно ударят сильные морозы. Если зимой воробьи сидят на деревьях или строениях втихомолку - будет снег без ветра, а дружно расчирикаются - к оттепели. Прячутся в хвост - перед метелью.

Поздней весной одной из последних прилетает в наши леса иволга. Увидеть ее трудно, поскольку она очень редко покидает кроны деревьев. Лишь иногда мелькнет среди вершин ярко-желтое брюшко самца (резко контрастирующее с черными крыльями и хвостом) либо быстро пролетит меж ветвей менее яркая, желто-зеленого цвета самка. Но зато очень часто можно услышать в лиственных рощах мелодичный флейтовый свист иволги. Непосвященный наблюдатель может даже принять его за человеческий свист. Округлыми звуками "фиу-лиу" (заслушаться можно, так чудесны они!) птица извещает: будет хорошая погода. А бывает, что иволга издает резкие, похожие на кошачий визг, душераздирающие (хоть уши затыкай) звуки - это значит, что она почуяла перемену погоды и загодя предупреждает всех обитателей леса о надвигающемся ненастье.

Хорошим барометром зарекомендовала себя обыкновенная кукушка - птица, именем которой называют бездушных, ленивых женщин, эгоисток, не желающих утруждать себя материнскими заботами. Однако справедливости ради надо сказать, что кукушка, как это подмечено наблюдениями, не такая уж беспечная мать, как принято считать. Как у всех других птиц, у нее тоже сильна материнская любовь. Но беда ее в том, что она своего гнезда не вьет, яйца для высиживания подкладывает другим птицам, птенцов не выкармливает, "поручает" заботу о своем потомстве малиновкам, горихвосткам, пеночкам и другим певчим пташкам. Пережив множество опасностей и волнений в момент кладки яиц, кукушка успокаивается и усердно принимается за истребление различных вредных насекомых, их личинок, охотно поедает прожорливых волосатых гусениц шелкопряда, которых опасаются трогать другие птицы. Великая польза лесу от кукушек. Известны случаи, когда они спасали целые дубовые рощи, сады и парки от нашествия различных вредителей.

Обыкновенная кукушка обитает практически в лесах всей Евразии, но увидеть эту красивую птицу, похожую по оперению на ястреба, редко кому удается. Уж очень она осторожна, пуглива. Но где бы она ни скрывалась в чаще, всегда выдает себя звучным голосом. Нет-нет, да и встревожит вдруг лесную тишь далеко слышным "Ку-ку...". А если кукушка регулярно кукует, длинную песню поет - верная примета погоды, полученная из многолетних наблюдений за поведением того или иного живого организма, - бесценное свидетельство того, что в безбрежном царстве фауны и флоры бионик может найти нужную ему по требуемым параметрам живую модель метеорологического прибора, которую стоит скопировать и воспроизвести с помощью наличных технических средств. В бионике изобретать, творить - значит уметь искать и находить в природе такие биосистемы, которые значительно совершеннее, умнее, надежнее и экономичнее существующих технических систем. Давайте же, читатель, пройдемся не спеша по лабораториям старейшего в мире "метеорологического института" живой природы, заглянем в его "мастерские", "патентную библиотеку", "конструкторские бюро", давайте хорошенько подумаем, что можно здесь позаимствовать дли дальнейшего развития метеорологии, для более точного прогнозирования погоды.