Российская Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в этом году отмечает 190-летие. Одна из старейших организаций страны основана в 1834 году. Тогда по указу императора Николая I в Санкт-Петербурге была создана Нормальная магнитно-метеорологическая обсерватория.
Сегодня по точности прогнозов Росгидромет входит в пятерку лучших метеослужб в мире. Рассказываем, что в наши дни помогает синоптикам почти безошибочно предсказывать изменения погоды.
Залог точного прогноза
Датчики и измерительные приборы Росгидромета работают на суше, под водой, в воздухе и даже в космосе. Оборудование выдерживает самые экстремальные условия Арктики и Антарктики, фиксирует изменения в зоне вечной мерзлоты. Собранные данные позволяют ученым изучать сложнейшие природные явления, вовремя предупреждать об ураганах, штормах, лавинах или резких скачках температуры. В зависимости от типа прогноза их точность в российской метеослужбе достигает 99%.
С середины XX века метеорологи получают необходимую информацию из космоса. Впервые синоптические датчики отправили на орбиту в 1958 году, когда был запущен третий искусственный спутник Земли. За это время изменилось очень многое — новые технологии, современная аппаратура.
Росгидромет регулярно получает новые отечественные спутники, которые выводятся на орбиту. Сейчас их 15: восемь гидрометеорологических, шесть для мониторинга окружающей среды и еще два для наблюдения за космической погодой («гелиогеофизические).
Особая гордость Росгидромета — высокоэллиптические гидрометеорологические спутники «Арктика». Два аппарата позволяют получать комплексную информацию о перемещении воздушных масс, параметрах ветра, динамике облачных образований над Арктическим регионом. Ни у одной другой страны в мире нет аналогов такой системы дистанционного спутникового зондирования.
В 2025 году Роскосмос планирует запустить еще один гидрометеорологический спутник, пять аппаратов для мониторинга окружающей среды и два гелиогеофизических. В общей сложности на орбите может оказаться около 20 таких отечественных устройств. По словам руководителя Росгидромета Игоря Шумакова, это позволит специалистам получать с орбиты от российских спутников 95% необходимой информации. Таким образом, к концу 2025 года наша страна станет полностью независимой в этом вопросе.
Им сверху видно все
«Спектр информационных продуктов, которые можно получить по данным дистанционного спутникового зондирования Земли, достаточно велик, — рассказывает заместитель директора НИЦ "Планета" Артем Максимов. — Это и снежный покров, и ледяной покров, и данные о температуре и влажности в разных слоях атмосферы и на поверхности океанов, морей и суши. По данным ДЗЗ можно отслеживать зоны перемещения осадков. Еще один очень важный параметр — направление и скорость ветра на различных высотах. Эта информация очень ценна для дальнейшего прогнозирования погоды».
Собирать эти сведения помогает комплекс разнообразных приборов, закрепленных на космических аппаратах.
«Например, на гидрометеорологических полярно-орбитальных спутниках "Метеор" установлены так называемые многозональные сканирующие устройства с различным набором спектральных каналов. По этим данным можно не только отслеживать динамику перемещения облачных образований, но и, например, определять различные параметры облачности: зоны интенсивности осадков, типы облаков и высоту их верхней границы, температуру на этой высоте», — отмечает Артем Максимов.
Помимо этого, на «Метеорах» также установлены модули, с помощью которых можно определить распределение температуры и влажности в разных слоях атмосферы. А еще на борту есть радиолокационный комплекс, который позволяют видеть поверхность Земли независимо от времени суток и облачности. Прежде всего это востребовано при мониторинге ледовой обстановки на Северном морском пути, выявлении различных загрязнений, включая нефтяные. Кроме того, радиолокация востребована при мониторинге паводковой обстановки. Ведь зачастую зоны затопления нужно выделить там, где небо закрыто дождевыми облаками.
Все данные из космоса поступают в пункты приема и обработки спутниковой информации на Земле. В России они объединены в три центра: Европейский (в Москве, подмосковном Долгопрудном и в Обнинске Калужской области), Сибирский (в Новосибирске) и Дальневосточный (в Хабаровске). В общей сложности они оснащены более чем 60 антенными комплексами.
Информация со спутников передается в режиме реального времени. Каждый космический аппарат сбрасывает данные на Землю с определенной периодичностью. Например, гидрометеорологические спутники на геостационарной орбите серии Электро-Л (они постоянно находятся над экватором и неподвижны относительно поверхности Земли), проводят сеансы связи каждые 15 или 30 минут. Точно так же каждую четверть часа производят съемку и мгновенно сбрасывают снимки спутники «Арктика». В свою очередь «Метеоры» находятся на сравнительно низкой орбите и пролетают над одной и той же территорией дважды в сутки.
После первичной обработки данные со спутников передают в подразделения Росгидромета, которые непосредственно занимаются составлением прогнозов.
Как предсказывают погоду
Динамику изменений основных параметров атмосферы можно описать математически с помощью системы нелинейных дифференциальных уравнений. При этом учитывается, как на воздушные процессы влияют стороны океана, суши, притоки тепла со стороны солнца и выхолаживание атмосферы за счет излучения в космическое пространство.
Такое математическое описание атмосферных процессов в динамике называют математической моделью или цифровой моделью, цифровым двойником. По мере развития науки она учитывает все большее количество различных параметров. Это позволяет делать более точные расчеты.
При вычислениях для составления прогноза атмосферу представляют как некую совокупность точек, образующих трехмерную сетку. Чем меньше шаг такой сетки, тем точнее описывается среда.
Создают цифрового двойника и развивают моделирование специалисты в области метеорологии, океанографии, гидрологии, геофизики, физики, математики, вычислительной математики.
«Технология прогноза погоды с использованием цифрового двойника предусматривает сбор всего доступного объема информации на момент начала прогноза. Это данные наблюдений на гидрометеорологических станциях, со спутников, метеорологических локаторов. По ним определяется максимально точное состояние системы "атмосфера — океан — суша" на начало прогноза, — рассказывает заместитель директора Главного вычислительного центра Росгидромета Владимир Анцыпович. — Затем цифровой двойник начинает "виртуально жить", автономно пошагово изменяясь во времени. При этом виртуальное время двойника протекает быстрее реального. За счет этого появляется возможность "заглянуть в будущее" и получить требуемый прогноз».
Глобальные изменения климата прогнозируют аналогично. Просто в этом случае цифровой двойник описывает процессы, которые протекают дольше и медленнее.
Иногда в исходных данных наблюдений встречаются ошибки, а порой измерения недостаточно точные. Поэтому решение системы уравнений, описывающих атмосферу, всегда приближенное. По мере того как моделируются будущие изменения всех параметров, эта погрешность постепенно увеличивается. Это причина того, почему чем более долговременный прогноз хотят сделать метеорологи, тем ниже вероятность, что он сбудется. По словам Владимира Анцыповича, если говорить о прогнозах погоды, сейчас приемлемыми по точности для использования считаются расчеты на период до семи суток.
Автоматизация расчетов
Производить огромный объем вычислений при прогнозировании погоды невозможно без применения высокопроизводительных вычислительных комплексов (ВВК), или, другими словами, суперкомпьютеров. Требования к их производительности у метеорологов очень высокие: мало просто рассчитать прогноз, это нужно сделать еще и быстро. Предупреждение о дожде, который прольется завтра, будет никому не нужно, если его получат послезавтра.
Вычислительные комплексы отечественная метеослужба начала применять еще в 1962 году. Последний раз новый суперкомпьютер Росгидромет получил в 2018 году. Это устройство способно производить квадриллион операций в секунду. Это число с 15 нулями, миллион миллиардов. В текущем рейтинге 50 лучших суперкомпьютеров стран СНГ аппарат Росгидромета занимает восьмую строчку. А по производительности, необходимой именно для прогнозирования погоды, — первую.
Функционирование ВВК Росгидромета обеспечивают специалисты, которые получили образование в сфере вычислительной техники, информационных технологий, коммуникационных средств.
Синоптикам — верить
Метеорологическая служба ведет 30 видов наблюдений. Чаще всего речь идет об измерениях в приземном слое атмосферы и на поверхности Земли, сборе сведений об уровне, температуре и чистоте водоемов, радиационной обстановке.
Многие станции и посты специализируются на агрометеорологии — прогнозах, важных для сельского хозяйства. Ученые могут просчитать, насколько хорошо озимые культуры переживут холодный период и взойдут весной, будет ли почва достаточно влажной и какой урожай ждать в следующем году.
За прошлый год Росгидромет предсказал 1,1 тыс. опасных явлений. Специалисты выпустили свыше 2,2 тыс. штормовых предупреждений, когда жителям угрожали сильный дождь, ураганный ветер, град, паводок, природные пожары. С 2019 года точность таких прогнозов выросла более чем на 2% — до 96%.
Кроме того, теперь метеорологи раньше узнают о непогоде. Если шесть лет назад штормовые предупреждения объявлялись максимум за двое суток, то сейчас их могут составить за пять дней. Теперь у коммунальных служб и обычных людей есть больше времени, чтобы подготовиться к ненастью. Даже если, например, грозовое облако появляется внезапно, специалисты могут предсказать его появление за пять часов.
Когда в конце августа в Тихом океане зародился тайфун «Шаньшань», синоптики из Приморья в первый же день просчитали его траекторию на неделю вперед. На японском острове Кюсю этот тропический циклон стал одним из сильнейших за последние десятилетия: пострадали около сотни человек, несколько погибли. В России тем временем спали спокойно, заранее зная, что Владивостоку и его окрестностям ничего не грозит.
Особенно важны точные и ранние прогнозы для авиации. В прошлом году Росгидромет зафиксировал 355 опасных явлений, которые могли быть опасны для самолетов, создавая помехи для навигации или радиосвязи.
Данные синоптиков за 2023 год использовались для 1,5 млн рейсов из 246 российских аэродромов и 26 воздушных гаваней СНГ. И в 2019–2023 годах не было ни одного случая, когда виной авиационного происшествия стали ошибочные данные от отечественных метеорологов.
Укрощаем погоду
Отдельная гордость Росгидромета — самолет-лаборатория Як-42Д. Оборудование на его борту позволяет получать данные об атмосфере и поверхности Земли. Так, с помощью уникального лазерного комплекса можно прямо в воздухе проводить микрофизические исследования, зондировать облака, получая их срез на всех высотах, и даже менять погоду.
Еще в 1970-х советские ученые начали разрабатывать технологию, способную «создавать» хорошую погоду. Впервые облака были рассеяны в 1995 году во время празднования 50-летия Победы. С тех пор эту технологию используют регулярно. С самолетов распыляют специальный состав, который охлаждает тучи и разгоняет их.
А недавно ученые разработали подобный метод с обратным эффектом. Российские метеорологи используют заряды с йодистым серебром, чтобы вызвать дождь в нужном месте. Микрокристаллы, похожие на натуральный лед, притягивают к себе влагу.
Этот метод хорошо себя зарекомендовал в 2022–2023 годах в Якутии. После искусственно вызванных дождей риск возникновения лесных пожаров значительно снизился. Лето 2023 года вошло в тройку самых жарких в России за историю регулярных метеонаблюдений. Только в августе зафиксировали 58 температурных рекордов. Однако благодаря осадкам, которые «вызвали» ученые, площадь лесных пожаров в Якутии по сравнению с 2021 годом сократилась в 86 раз, а количество возгораний — в 15 раз.
В этом году опыт Якутии переняли в Татарстане.
Тайны многолетних льдов
Еще один важный проект Росгидромета — создание всероссийской сети пунктов наблюдения за вечной мерзлотой. В 2023-м их уже было 20, еще 58 планируют создать до конца этого года. Самая северная точка — на Земле Франца-Иосифа на границе Баренцева и Карского морей, а самая южная — в Алтайском крае, почти в Монголии.
«В высокоширотной Арктике рост среднегодовой температуры воздуха примерно в три раза превышает темпы потепления в целом на планете, поэтому климатические изменения в этом регионе происходят наиболее активными темпами и требуют к себе повышенного внимания», — подчеркивает директор Арктического и антарктического научно-исследовательского института Александр Макаров.
Многолетняя мерзлота занимает почти две трети территории России. Данные мониторинга помогут ученым понять, как меняется грунт в этих районах из-за глобальных изменений климата. Это важно знать, чтобы планировать социальное и экономическое развитие районов, где живут около 15 млн человек. Устойчивость домов, состояние дорог и коммуникаций — все это напрямую зависит от того, на какую глубину и насколько сильно оттаивает почва в теплое время года. Информация об изменениях температуры на различных глубинах, солености мерзлого грунта позволят инженерам сделать расчеты фундамента, который потом не будет деформироваться или неравномерно оседать.
«В процессе оттаивания многолетнемерзлых пород различные вещества могут высвобождаться в атмосферу и оказывать влияние на глобальные изменения климата. Без учета вклада деградирующей мерзлоты в поступление парниковых газов в атмосферу невозможно спрогнозировать изменение климата. Государственная система мониторинга многолетней мерзлоты Росгидромета позволит получить необходимые данные для расчетов», — добавляют в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте.
Всего до конца 2025 года система мониторинга объединит 140 пунктов. Глубина каждой скважины — 25 метров. В них помещают 32 датчика на расстоянии от 10 см до 2 м друг от друга. Все данные о температуре и строении грунта в реальном времени поступают в Центр мониторинга состояния многолетней мерзлоты Арктического и антарктического научно-исследовательского института.
Плавучие лаборатории
Изучать климат Арктики с моря специалистам Росгидромета помогают научно-исследовательские (НИС) и научно-экспедиционные суда (НЭС). Некоторые из них не имеют аналогов в мире. Морской и океанский флот насчитывает 11 бортов. Еще 73 судна — речные и маломерные. Теперь проводить исследования в Северном Ледовитом океане можно круглый год.
В октябре в Санкт-Петербурге началось строительство нового флагмана флота Росгидромета — 165-метрового НЭС «Иван Фролов». Использовать его начнут с 2028 года. По словам экспертов, он станет самым большим антарктическим научно-экспедиционным судном в мире. На борт можно будет поднять до 2 тыс. тонн груза. Жить и работать во время экспедиций на «Иване Фролове» будут до 70 членов экипажа и 170 ученых.
«Основные задачи нового судна будут сосредоточены в Антарктике, — рассказывают в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте. — НЭС будет использоваться для выполнения антарктической программы Российской Федерации, а также будет работать в морях Северного Ледовитого океана. Планируется, что судно не менее 30 лет сможет обеспечивать жизнедеятельность полярных станций в высоких широтах и выполнять транспортировку топлива, технического и научного оборудования и, конечно, полярников».
На новом флагмане оборудуют до 20 лабораторий. Их сделают модульными, чтобы судно проще адаптировалось под актуальные научные задачи.
Такую модульную технологию уже опробовали на ледостойкой самодвижущейся платформе «Северный полюс». Ее начали использовать с 2022 года. Это современная и гораздо более безопасная альтернатива классическим дрейфующим станциям, которые разворачивали на льдинах.
Длина платформы — около 83 метров, ширина — 22,5 метра. Она может свободно дрейфовать до двух лет, в то время как на борту проводят комплексные исследования Северного Ледовитого океана. Экипаж «Северного полюса» — 14 человек, в 17 лабораториях трудятся до 34 ученых. При необходимости они могут высаживаться на лед и перемещаться на снегоходах.
Летопись планеты
На Южном полюсе, в Антарктиде, тем временем завершается монтаж внутренних коммуникаций нового зимовочного комплекса на научной станции «Восток». Пока комплекс используют в тестовом режиме, но до конца года планируют полностью ввести в эксплуатацию.
«Восток» — одна из пяти российских антарктических круглогодичных станций. Она самая южная, расположена на полюсе холода, где температуры опускаются до –80 °С. Станция построена в 1957 году на ледяном куполе в 1,5 тыс. км от побережья на высоте 3,5 тыс. м над уровнем моря. Условия там схожи с теми, что царят на вершине Эльбруса: низкое содержание кислорода, очень сухой воздух. Плюс полярная ночь пять месяцев в году.
Прежний комплекс «Востока» устарел, его частично занесло снегами. Поэтому осенью 2021 года в Антарктиде начали монтировать новое здание станции. Это модульная конструкция общей площадью более 3 тыс. кв. м, по сути это семиподъездный пятиэтажный дом, который стоит на 36 ножках-опорах из нержавеющей стали, снабженных домкратами. Комплекс будет постепенно просаживаться в снег, но благодаря домкратам сможет подниматься над поверхностью на прежнюю высоту.
В двух жилых блоках в сезон расположатся до 35 человек, а зимовать будут оставаться до 15 специалистов. В этой зоне находятся личные комнаты, кухня, столовая, зона отдыха, спортзал, сауна, медцентр с операционной. Два инженерных блока отведены под котельные, склады, электрощитовые с генератором. Наконец, последний отсек — гараж, мастерская и снеготаялка.
Чтобы внутри было уютно и тепло даже в рекордные холода, стены утеплены слоем минеральной ваты толщиной почти метр. Фасад из композитных панелей тоже устойчив к экстремальным морозам.
Теперь ученые с комфортом продолжат исследования древних льдов. В районе «Востока» их возраст насчитывает до 1,5 млн лет. По срезу специалисты узнают историю климата и изучают закономерности его изменения. Эти открытия важны, чтобы предсказывать, что ждет нашу планету в будущем.
Кроме того, подо льдами на глубине около 4 км ученых ждет уникальное озеро Восток — самое малоизученное место на Земле. Его площадь сравнима с Ладожским озером, а глубина, по оценкам, достигает 1,2 км. Несколько миллионов лет водоем был изолирован от внешнего мира. Сейчас специалисты обдумывают, как спуститься под ледник, чтобы исследовать озеро и при этом не нарушить его экосистему. Это задача будущих десятилетий.
