Константин Рубинштейн (Гидрометцентр России, Москва): "Мы можем выполнить практически любую задачу по прогнозам и исследованиям циркуляции атмосферы"

НАСТОЯЩИЙ МАТЕРИАЛ (ИНФОРМАЦИЯ) ПРОИЗВЕДЕН И РАСПРОСТРАНЕН ИНОСТРАННЫМ АГЕНТОМ ООО "МЕМО", ЛИБО КАСАЕТСЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИНОСТРАННОГО АГЕНТА ООО "МЕМО".

Интервью с заведующим лабораторией моделирования общей циркуляции атмосферы и климата Гидрометцентра России, доктором физико-математических наук Константином Рубинштейном.

"Популярные сервисы пользуются одним способом прогноза погоды"

- Сколько существует различных способов прогнозирования погоды? Какие из них наиболее распространены в России? Какими больше всего пользуются СМИ, интернет и ТВ во всем мире? Чем в лучшую сторону отличается ваша технология?

- Все методы прогноза погоды можно разделить на так называемые "синоптические", "статистические" и "динамические". Синоптические методы основаны на том, что есть опытные люди, регулярно анализирующие атмосферные процессы в определенных регионах и, по разнообразной информации, которую им предоставляют (например, снимки со спутников, карты прогноза моделей, карты наблюдений и т.д.) прогнозирующие будущее состояние атмосферы. Прогнозов может быть столько, сколько людей будут одновременно заниматься этим делом. К сожалению, это и сейчас основной официальный метод прогноза погоды. Все популярные сервисы, такие как Гисметео, Метео-ТВ, пользуются этим способом. Различаются только варианты его реализации.

Есть статистический прогноз. Он, по сути, заключается в том, чтобы узнать, какая бывала погода раньше в этот период, накопить достаточный ряд наблюдений – чем больший, тем лучший - и попробовать подобрать к тому, что с погодой происходит сейчас, какой-нибудь аналог в прошлом, а потом надеяться на то, что, если нечто подобное уже было ранее, то и последующее будет на него похожим. Это я, конечно очень на пальцах объясняю – статистических методов огромное количество.

И последний метод, к которому склонна наша лаборатория, – это понять физические процессы, происходящие в атмосфере, на море, на ледниках, описать их математически с максимально возможной точностью, измерить, где можно и всеми доступными способами, и посчитать с помощью современных компьютеров, что будет дальше. Этот метод возможно сочетать со статистическим и, как мы надеемся, это может принести наилучшие результаты в будущем. Таких моделей тоже много, хотя на разработку их у больших коллективов уходят десятки лет. Понимание качества результатов – оценка результатов прогноза, например на местах, может способствовать их совершенствованию.

Нет способов, чтобы судить о достоинствах или недостатках методов, кроме их сравнения с наблюдениями. Надо посмотреть у кого какие ошибки. Не существует идеального метода прогноза - у всех методов есть свои недостатки и достоинства. Оценки прогнозов – это тоже целая наука. Методы прогноза в нашей лаборатории - вполне на современном уровне. А говорить о том, что они значительно лучше других, – это несправедливо.

- Чем замечательна Ваша лаборатория? Как работает? Какие методы, приборы, научные разработки входят в систему определения погоды? Чем вообще отличается от других?

- Наша лаборатория называется: "лаборатория общей циркуляции атмосферы и климата". Мы занимаемся не только прогнозом погоды, но еще и моделированием изменения климата. Она отличается тем, что занимается двумя задачами разного временного и пространственного масштаба. Один масштаб – краткосрочный прогноз погоды на 2-5 суток с высоким пространственным разрешением для небольших регионов России, и второй масштаб – исследование глобального изменения климата. Например, уже ряд лет мы изучаем то, как влияет на климат атмосферы неоднородность распределения сил тяжести.

У нас есть еще много важных прикладных задач, связанных с экологией. Например, лаборатория занимается переносом примесей, - в частности, радиации, - в атмосфере.

- Какими методиками прогнозирования вы пользуетесь?

- Исключительно численными, исключительно моделированием с помощью гидродинамических моделей, построенных на основе решения дифференциальных уравнений, связанных с основными физическими законами.

Но, на самом деле, такого рода модель дает после расчета только один прогноз. А это неправильно, так как не может быть абсолютно точных начальных данных, не может быть точного, абсолютно однозначного прогноза. Всегда в такой системе есть ошибки. Прогноз правдоподобный, но не идеально точный. Как понять и рассчитать на сколько ошибается прогноз, и какова статистика его ошибок? Такого рода статистику получают рассчитывая не один прогноз, а десять или двадцать. Это называется "ансамблевый подход". То есть одновременно считают не по одним начальным данным, а по десяти, внося в данные измерений возможные ошибки. И получают десять ответов. И если потом высчитать среднюю из десяти прогнозов, то она получится ближе всего к тому, что наблюдается. По крайней мере, есть "доверительная полоса" прогнозов, в которую точно уложится будущая погода. Те прогностические центры, которые богаты и могут себе это позволить, считают такой "ансамбль". И таким способом по нынешним временам получаются наилучшие прогнозы погоды.

- Чем Вы особенно гордитесь? Какими разработками или достижениями?

- У нас много интересных задач, например: инженерные изыскания для атомных станций - обеспечение задач переноса радионуклидов вокруг атомных станций и так далее. Основное, чем мы гордимся, - это то, что наш небольшой, молодой в основном, коллектив может выполнить практически любую задачу по прогнозам и исследованиям циркуляции атмосферы.

- Почему и чем это важно и насколько сложно?

- Вообще говоря, прогноз погоды - это одна из самых трудных математических и физических задач. Это решение - примерно те же самые уравнения, что и для ядерной реакции. Все это - очень трудный в разных отношениях (и в вычислительном, и в физическом, и в понимании) процесс.

Другое дело, что так как эта задача изучается уже порядка 30-40 лет, мы уже довольно далеко продвинулись в ее решении.

- Все понимают, как важен прогноз погоды, часто ругают метеорологов в случае ошибок, - но почему-то на людей, которые этими прогнозами занимаются, средств, как всегда не хватает.

- Ну, я не могу сказать, что все совсем уж плохо – нас же не ликвидируют. Всё существует, но в таком жалком состоянии. То, чем должно заниматься 50 человек, делают трое.

- Какой процент совпадения ваших прогнозов?

- Это сложный вопрос, потому что надо определить - прогнозов чего? Температуры или осадков? Например, в прогнозе приземной температуры воздуха в районе Москвы мы, как правило, ошибаемся не более, чем на 1-2 градуса. Но бывают редкие случаи и больших ошибок. Приземное давление – тоже хорошо прогнозируемый элемент. Прогноз осадков - дело более сложное. Тут и ошибок больше.

"Самое важное – это как представлять прогноз"

- Для потребителя важно знать температуру, осадки, давление и ветер. Какие из этих показателей наиболее сложно прогнозировать и почему? Какие средства задействуются для этого и как, вообще, это делается?

- Проще всего прогнозируются поля давления, потому что давление плавно меняется со временем и это довольно хорошо прогнозируемый элемент.

Самое сложное – это прогноз осадков: жидких (дождя) и твердых (снега, града). Осадки - это очень комплексный элемент. Пар конденсируется в капельки воды на разных высотах. Механизм образования осадков связан с разными масштабами движений. Если капельки формируются где-то на больших высотах, то потом они начинают падать, - по дороге они могут замерзать, могут испаряться. И предсказать результат, - то есть количество воды или снега, которое упадет на землю, – чрезвычайно сложная задача. Свойства облаков и капельной влаги в атмосфере весьма трудно изучать, так как метеорологические зонды не обязательно попадут в облака, самолеты эти облака разрушают. Изучать косвенными методами, вроде спутников и т.д., также весьма трудно, моделировать их в лабораториях физически, - тоже большая проблема.

- Вот мы недавно были на природе, видим облако с дождем, но где оно будет через 5 минут – непонятно, оно может туда пойти, а может и в другую сторону...

- Правильно. Перемещение облаков связано и с ветром, и с температурой и с процессами протекающими внутри облака.

Но самое сложное – это предсказать фазовые переходы капелек воды, то есть где находятся ядра конденсации, какого рода капли там возникнут, и главное – как они потом поведут себя, эти капельки. А ведь это надо сделать в каждой точке, а условия очень разные, и образование дождя очень разное.

Бывают осадки конвективные, они имеют очень маленький масштаб - сотни метров. Например, после чернобыльской аварии, когда начали мерить радиацию на поверхности земли, то не могли понять, почему рядом с совершенно ужасным фоном заражения существовали очень чистые области. А потом опять – концентрация огромного заражения, и вновь – абсолютно чистое пространство. Не могли понять – что нужно запрещать, что нужно загораживать. А потом установили, что, так как это был май, там было большое количество конвективных грозовых осадков. И вот эти осадки из того облака, которое пошло на Белоруссию, они вымывали радиацию. Там где они пролились – огромная концентрация, а там где не было дождя – чисто.

Задача прогноза осадков, - это попытка предсказать очень сложные процессы в атмосфере. Весьма часто осадки бывают очень локальны. Для оценки качества прогнозов чрезвычайно важно иметь хорошие оценки качества прогнозов. Измерительная сеть в России чрезвычайно недостаточна и поэтому регулярные сообщения с оценкой осадков может быть полезна.

- В связи с этим как раз и вопрос: сейчас очень распространен интерактив – то есть ответная реакция потребителей. Есть ли практика обратной связи жителей с метеорологами и насколько важны такие данные?

- Конечно, все время возникают самые неожиданные потребности. Но я опять же всегда говорю, что самой рекламой нашей должна была бы быть честная демонстрация качества нашего прогноза.

Прогнозов сейчас в Интернете полно, они получаются из разных источников. Некоторые просто берут американские прогнозы и предлагают их на российском рынке, потому что американцы ничего не скрывают – они выкладывают все данные, почти синхронно с их получением.

И я считаю, что самой главной рекламой, - меня бы, по крайней мере, как потребителя прогнозов это привлекало – если бы Гидрометцентр показывал, рядом с прогнозом на 3 дня, оценки качества прогнозов, которые были получены за 3 дня до этого.

- То есть - вот вам прогноз на будущее, а вот посмотрите, как мы перед этим работали?

- Да, да. При этом, даже если бы они были не такие замечательные, потребителю, по крайней мере, было бы ясно, чего стоит прогноз на будущее, как к нему относится. То есть - вот вам наш уровень знания, мы не боги, мы не можем все знать, но вот с такой точностью мы вам говорили в предыдущие дни.

Но я почему-то никак не могу это реализовать на практике: чтобы мы выкладывали прогноз и тут же показывали, как мы обманывались или ошибались в предыдущие дни, или, например, в прошлом году на этот же срок – как угодно. И мы могли бы добавить информацию о том, как бывало в этот день ранее: вот в предыдущие годы температура менялась от 5 до 10 градусов, а мы прогнозируем 8. А вот в прошлый раз мы говорили что будет 8, а было 9. А уж ты сам думай о том – ошибаемся мы или нет.

Мне кажется, что самое важное – как представлять прогноз, это сильно улучшило бы отношение к нам населения. Я начальству неоднократно данный вариант предлагал. Однако, мы - официальная организация, и все подобные вопросы решают чиновники.

- Как Вы относитесь к поговорке – "Синоптики никогда не ошибаются, не совпадает только время и место"?

- Нормально, как к любой шутке, - улыбаюсь.

"Школа прогнозирования погоды в России "в полном загоне"

- Каким образом идёт "понимание процессов"? Кто разрабатывает компьютерные программы, что ложится в их основу?

- В основу ложится представление о физических законах, которые действуют в атмосфере. Но основной физический закон – второй закон Ньютона. Это основание для того, чтобы написать дифференциальное уравнение, и это уравнение решать. На самом деле, в атмосфере все гораздо сложнее. Во первых, потому что в атмосфере - не одна субстанция, там не только воздух, но еще и пар, и сам воздух состоит из различных химических веществ. Все они друг с другом довольно сложно взаимодействуют.

Кроме того, в атмосфере есть движения разного вида: есть ламинарное, а есть турбулентное. (Ламинарное - это организованное движение частиц в виде направленной струи, а турбулентное – это хаотическое, завихренное движение). Турбулентность особенно часто возникает там, где есть какие-нибудь границы, разделяющие разные среды, - например: суша-земля, суша-море, суша-воздух. Она особенно ярко проявляется в городах, где есть так называемые "городские каньоны", и в горах, где воздух очень сложным образом закручивается, обтекая препятствия.

Для того, чтобы описать закономерности турбулентности, существуют специальные теории. И результатом этих теорий являются математические выражения, которые программируются, и производятся расчеты прогноза. В это же время производятся измерения на различных станциях, у поверхности и на высотах, и эти измерения используются для дальнейших прогнозов и сравниваются с тем, что было рассчитано в предыдущих прогнозах. И, соответственно, дальнейшие расчеты корректируются, и постепенно становятся все лучше и лучше.

В России, как и всюду в мире, распространены все способы прогнозов. Россия не изолирована от остального мира, и в России используются те же способы, что и в других странах. Одни методы более развиты в России, другие - менее.

Когда-то в России были лидирующие школы в этой области. Но сейчас уже многие методы более развиты на Западе, - в первую очередь потому, что там лучшие технологии. А, как и во всех остальных областях, прогноз погоды в нынешнее время зависит прежде всего от развития информационных технологий: технологии наблюдения, технологии связи, сбора и обработки информации, технологии, машинной обработки.

- То есть это какие-то собственные компьютерные программы?

- Это комбинации. На самом деле, Вы хотите спросить, все ли программы делаются у нас? Нет, конечно. Мир сейчас открытый, и программ существует огромное количество. Такие модели, которые сейчас развиваются, делаются большим коллективом в течение многих лет. Они содержат десятки тысяч разных операторов (оператор – это одно выражение языка программирования, на котором пишутся команды для компьютера) и сделаны блочно – разные части созданы разными авторами. Иногда наши программы нанизываются на какие-то чужие программы физики. Иногда наоборот – динамика берется импортная, просто потому, что по стилю хорошо сделана, а физические процессы мы туда добавляем, изменяем и так далее.

-  Как обстоит дело с финансированием вашей деятельности в области метеорологии?

- Тускло. Выпускник университета получает зарплату порядка 2-3 тысяч рублей...

- Сколько существует авторитетных школ анализа и прогнозирования погоды в мире? А на постсоветском пространстве?

- На постсоветском - никого. Они сейчас, наоборот, – в полном загоне. У них система в советское время она была значительно лучше.

Сейчас лидерами являются, в частности, Национальный центр атмосферных исследований и Национальный метеоцентр США. Это две организации, которые очень скоординированно работают. Одна из них - академическая, а вторая – примерно как Гидрометцентр России, только значительно лучше оснащенный. Они лидеры в прогнозе погоды. Американские прогнозы - общедоступны. Они высокого качества и ряд российских фирм поставляют в интернет и в СМИ результаты именно их прогнозов.

Другие лидеры - Европейский центр среднесрочного прогноза погоды и Японское метеорологическое агентство. В Европейском центре Россия не участвует.  Метеорологические агентства Германии и Франции в числе первых не находятся. Наиболее близко по качеству прогноза к лидерам подходит Метеорологическое агентство Великобритании.

- Когда стали предсказывать погоду с помощью научных методов?

- Предсказания – это основная задача любой науки. Инженеры предсказывают состояние конструкции или устройства, врачи пробуют предвидеть течение болезни. Как только люди научились измерять температуру (а это само по себе достаточно сложное понятие) и остальные характеристики воздуха – они стали стремиться конструировать поведение погоды в будущем. Реальные успехи появились в начале ХХ века. Огромным стимулом к развитию научного подхода к прогнозу погоды, служили войны. Важный толчок дало развитие авиации, мореплавания, масштабного земледелия. Реально метеорологические службы сложились после того, как страны оправились от Второй мировой войны. Первые численные прогнозы погоды, - то есть прогнозы сделанные на основе понимания физических процессов в атмосфере и их математической формулировки - были даны русским учёным Ильей Кибелем и американцем Филипсом. И это было в конце войны и сразу после, - примерно в 1945-1950 гг.

- Как работали в России, например, 60-40–20–10 лет назад и сейчас? Сколько существует авторитетных школ анализа и прогнозирования погоды в мире? А на постсоветском пространстве?

- В прежние времена основное отличие от нынешнего положения в прогнозировании погоды было в информационном обеспечении. Раньше не существовало спутниковых данных, не было авиационных, радиолокационных измерений и так далее. И самое основное отличие – не было компьютерной обработки данных. Не существовало достаточно мощных вычислительных машин для того, чтобы можно было автоматизировать процесс прогноза.

Раньше, например, абсолютно не было измерений в океане. Сейчас их много. А океан в большой мере определяет влажность в атмосфере.

- Зачем нужно моделирование изменения климата? Как это можно использовать?

- Если бы мы могли прогнозировать изменение климата, то это было бы очень хорошо само по себе. Понятно почему – это, практически, долгосрочный прогноз системы атмосферы и океана. Но и не только в этом большое значение моделирования изменения климата.

Я могу на эту тему много чего рассказать. Тут есть очень интересные аспекты, потому что, вообще, моделирование климата началось с так называемого "Римского клуба", который был организован в 1950-е годы.

Был такой весьма интересный человек – итальянец Жоржи Пичеи. Он во время Второй мировой войны был в итальянском партизанском движении, боролся с фашизмом. Потом - работал представителем FIAT в Африке и торговал автомобилями FIAT. Очень на этом разбогател. Кроме того, он был масштабный человек, задумывался над судьбами человечества. Он организовал так называемый "Римский клуб", который должен был на основе современных научных представлений заниматься проблематикой мирового развития. Ж.Пичеи сумел собрать нобелевских лауреатов, и на основе современной науки тех лет пытался предсказывать будущее. И одним из элементов этого предсказания являлся прогноз состояния климатической системы. Как системы, в которой существует человечество.

И тогда, в 60-70 годах прошлого века возник большой интерес к исследованиям атмосферы. Только-только появились компьютеры и этот энтузиазм базировался на том, что у людей будет возможность прогнозировать изменение климата.

У нас ярким представителем работ в рамках идей Римского клуба являлся академик Никита Моисеев, - бывший директор вычислительного центра Академии наук СССР.

И вот в крупнейших мировых метеорологических центрах возникла такая задача, как моделирование изменения климата. В СССР в то время было пять ведущих групп, занимающихся этой задачей (сейчас в России их осталось две - Институт вычислительной математики РАН и Главная геофизическая обсерватория им. Воейкова). Но оказалось, что эта задача чрезвычайно сложная и дорогая. Она, во первых, требует глобальных метеорологических наблюдений, чего не было до международного геофизического 1979 года. До этого никогда глобальных метеорологических карт не строили, никогда, вообще, климат не рассматривали как глобальную систему. Всегда был климат региона, климат города, климат страны. А начиная с 1979 года произошли революционные изменения. И до сих пор моделированием климата, - а климат включает не только атмосферу, но еще и океан, сушу, вулканы и еще массу разных элементов, - занимаются целый ряд сильнейших групп физиков, математиков, метеорологов.

- Исландский вулкан Эйяфьятлайокудль сейчас все на себе хорошо почувствовали.

- Конечно, вулканы – один из факторов, влияющих на изменение климата. И спрогнозировать их дальнейшее извержение наука не в состоянии. Кроме всего прочего, в изменении климата важным фактором является антропогенное влияние - влияние человеческой активности. А это совершенно непредсказуемо на большой срок: Влияние выбросов, газов в атмосферу, влияние изменения подстилающей поверхности, то есть поверхности земли. Землепользование, вырубание деревьев, строительство дорог – все это элементы, которые на самом деле влияют на климат. И существующие факторы учесть трудно. А уж прогнозировать практически невозможно.

В связи со сказанным, моделирование климата - это такая деятельность, которая, с одной стороны, очень способствует прогнозированию погоды, потому что стимулирует воспроизведение физических механизмов в атмосфере на всей планете, - это огромный рывок для прогнозирования погоды. С другой стороны, на основе методов исследования изменения климата, возникают сезонные прогнозы погоды,

Кроме того, именно при моделировании изменения климата были сделаны некоторые открытия. Вообще за ХХ век не так много было открытий в нашей области. Но вот открыли, что чаша Тихого океана колеблется. Причины не очень ясны. Но у берегов Чили обнаружили подъем холодной воды с определенной цикличностью. Обнаружили, по сути говоря, рыбаки. Рыба один год приходит, а в другой год не приходит. А рыба связана с восходящим потоком глубинной холодной воды океана. И обнаружили, что это явление имеет огромную площадь, И появление на поверхности Тихого океана огромных пятен холодной или теплой воды, колоссальных по размерам, очень сильно влияет на тропический климат.

А второе открытие, которое я бы упомянул, было обнаружено, в основном, с помощью спутников, - это так называемые "ринги". Всегда считалось, что в океане есть только течения, а циклоны и антициклоны, которые в средних широтах формируют изменение погоды, - это свойство макро-турбулентности атмосферы для океанов не характерно. А вот, с помощью спутников и благодаря моделированию климата океана, обнаружили, что существуют круговые течения. Их назвали "рингами". Они имеют размеры заметно меньшие, чем циклоны в атмосфере.

Но самое основное, повторю: моделирование климата способствовало изучению среды, в которой живут люди в глобальном масштабе.

- То есть были сделаны такие попутные глобальные открытия?

- Да, глобальные открытия. И глобальные данные наблюдений, чего никогда не было раньше. Вообще в истории никогда не существовало представление об атмосфере, как о глобальной среде. Просто не было возможности. Никогда не измеряли всюду. А теперь возникают глобальные данные об атмосфере, - аж с 1791 года, восстановленные задним числом. Их пытаются собрать, обобщить и так далее. В Англии, например, провели колоссальную работу и обобщили метеорологические данные из судовых журналов за много столетий, - то есть со всех старых кораблей собрали судовые журналы, оцифровали их и ввели в компьютер по единой форме.

- И просто взяли оттуда данные о погоде?

- Да. Для исследований изменения климата очень не хватало данных об океанах. И вот собрали их, проанализировали ошибки, нанесли на карты – это совершенно титанический труд: из судовых журналов старинных кораблей надо было выбрать информацию о местоположении этого корабля и нанести на карту данные, которые были в нем приведены. И на одну и ту же карту собрали данные всех кораблей, которые были в пути на тот момент. И благодаря этому возникло какое-то представление о поверхности океана и об атмосфере над ними за много столетий.

Но к сожалению – это данные только о тех частях океанов, где ходили корабли. Но есть колоссальные области океана, в которых корабли вообще никогда не ходили. А о глубинах океана только в последнее время стали возникать какие-то комплексные представления.

- И, что происходит в глубинах, вообще, никто не знает?

- Конечно! В каком-то смысле, моделирование изменения климата к этому толкнуло, но в большей мере, пожалуй, и подводные лодки.

- Станет ли возможным когда-нибудь управлять погодой?

- Надеюсь, что нет. Потому, что такой энтузиазм уже был, особенно в США в середине 1980-х годов, - а потом выяснилось, что квази-управление погодой наносит огромный урон. Отдельные штаты запретили влияние на погоду и судились с другими штатами, потому что эффекты мало предсказуемы и, скорей, это большой минус, чем плюс.

"На Кавказе в каждой долине своя погода"

- Чем отличается характер погодных процессов на Кавказе от процессов в других регионах России, сложнее ли их прогнозировать и если да, то почему?
 
- На Кавказе - горы, они изолируют массы воздуха, там сильна турбулентность и все происходит очень локально. В каждой долинке погода может сильно отличаться от соседей. Особенно, если это горы изрезанные, высокие и молодые, как кавказские.

- Большой урон людям, живущим на Кавказе, приносят стихийные бедствия- ураганы, наводнения, лавины и тому подобное, способна ли современная метеорология предвидеть эти явления или по прежнему эти явления непредсказуемы?

- Прогнозом лавин мы не занимаемся. А, в принципе, - например, в Швейцарии - есть очень серьезные службы, которые следят за свойствами снега, прогнозируют сходы лавин. Сильными ветрами, шквалами мы занимаемся, - в частности, и для кавказского региона.

- На Кавказе в большей мере, чем в других регионах России, представлен такой феномен, как долгожительство. На Ваш взгляд, может быть это связано с особыми погодными условиями региона?

- Я думаю, что это в большой мере связано с чистотой воздуха. Ну, и, кроме того, - образ жизни. Никаких специфических метеорологических проблем я тут не вижу. А кроме того, знаю, что долгожители есть и городах.

С Константином Рубинштейном беседовал собственный корреспондент "Кавказского узла" Дмитрий Флорин.