Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Гидрометцентра РФ, профессор департамента математики Высшей школы экономики
В.А.Гордин
Вокруг нашей планеты имеется тоненький слой – атмосфера. Мы в ней живем. Изменение свойств атмосферы – погода – может заметно повлиять на нашу жизнь. Элементы погоды: температура, давление, влажность, ветер, осадки. По каким законам они меняются со временем? Про это многое уже известно. Вот что известно про погоду в Опочке в ближайшие дни:
https://193.7.160.230/web/osio/meteogram/OPO~KA.html
Можно ли погоду предсказать, на какой срок, с какой точностью, и что для этого нужно? Почему для прогноза погоды в Опочке нужно производить измерения по всей планете? Что и как можно измерить? Что измеряет метеостанция в Опочке? Зачем запускают метеозонды? Что могут измерить спутники, самолеты, морские буи? Нужно ли для прогноза погоды измерять (и что именно) в океанах? Зачем нужны сверхмощные компьютеры? Причем тут математика, физика, информатика?
Поговорим
Много это или мало? Оценим площадь поверхности нашей планеты Земля. Ее радиус 6 400 км. Формула для площади поверхности сферы 
. Значит, на одну станцию приходится в среднем 
. В Северном полушарии станции примерно в 4 раза гуще. Т.е. примерно квадрат со стороной 100 км. Аэрологических станций – тех, где запускают радиозонд, намного меньше. В Северном полушарии их примерно 650. Т.е. одна такая станция на 
. Т.е. квадрат со стороной 600 км. Как от Опочки до Москвы. А как изменяется погода?
| Левая граница дождя очерчена четко. Для оценки масштаба можно использовать шоссе. Граница дождя изогнута - это следствие геометрии воздушных потоков в зоне. Кроме того, они и по горизонтали закручены. Описать явления вокруг одного облака (с горизонтальным размером в несколько километров) в глобальной модели атмосферы Земли затруднительно. |
Можно попытаться разделить средний ветер и ветер локальный. На левом квадрате 25 х 25 км с разрешением 0,5 км приведено поле отклонения ветра от среднего по этому же квадрату на высоте 1 км (где уже на ветер слабо влияют особенности земной орографии, дома и т. п.). Измерения проводились совместно двумя радарами в Оклахоме в 14 ч 38 мин C.S.T. 27 июля 1977г. Вектор среднего потока приведен в верхнем правом углу и составляет 14,8 м/с. Видно, что эти отклонения меньше среднего потока на порядок (но не более!). И у них есть своя повторяющаяся структура - вихри с характерным размером 4 км. На правом рисунке измерения ветра, проведенные при тех же условиях, что и на левом, но спустя примерно 3,5 мин. Средний ветер практически не изменился, а мелкомасштабная структура отклонений от него изменилась. Основное изменение (хотя не все сводится к нему) - перенос вдоль основного потока в восточном направлении. Можно оценить, за какое время вся картинка ``уйдет'' из рассматриваемого квадрата: 25 км/14,8 м/с 
28 мин - для посадки или взлета самолета вполне достаточно.
Расположение аэрологических станций на нашей планете
| Вертикальная координата (в км) зондов, запущенных в один и тот же день в 00 и в 12 часов по Гринвичу. Время полета приводится в минутах. Данные поступали с периодом 10 с. Скорость подъема почти постоянна, с незначительным ускорением. Второй зонд летел медленнее и поднялся на меньшую высоту |
| Измерение профайлером горизонтального ветра с высотой и со временем. По оси абсцисс - время в часах, по оси ординат – высота (до 5 км), на которой производится измерение. Направление стрелки указывает направление ветра. Если она направлена вверх, то ветер южный, а направо - западный. Оперение описывает силу ветра. Длинное ``перо'' отвечает 5 м/c, а короткое - вдвое меньше |
Что почитать
Как это посчитать? Обработка метеорологической информации на компьютере. В.А.Гордин. М.: МЦНМО, 2005, 280с.
В.А.Гордин. Метеорологические наблюдения: распределенные в пространстве и времени. Часть 1. Журнал «Квант», 2010. № 3. C.2—8.
В.А.Гордин. Метеорологические наблюдения: распределенные в пространстве и времени. Часть 2. Журнал «Квант», 2010. № 4. C.11—18.