Эпоха цифры: прогнозы мезомасштаба

Итак, что же НЕ показывают GRIB-файлы модели GFS?

Самое неприятное ограничение накладываемое GFS - это пресловутая сетка в 30 миль. GFS плохо умеет учитывать такие “милые” местные явления как бора, зоны ускорения ветра у мысов и между островами, грозы и шквалы. Любой, кому пришлось хоть раз столкнуться с адриатической борой в 40 узлов при стабильном прогнозе на 10-15 узлов в GFS сразу поймёт о чём я говорю. Те же чувства испытают яхтсмены огибавшие южную оконечность Тенерифе с прогнозом по zyGRIB на 5-10 узлов северного ветра и получившие 25 узлов бейдевинда в зоне ускорения у мыса Монтана Роха.

Если вы попадали в подобные неприятные истории, то, наверняка вы давно уже заметили, что местные метео-службы гораздо точнее и правильнее предсказывают погоду в “своём огороде”, чем всеобъемлющие и глобальные GRIBы модели GFS. В чём же тут дело?

Немного науки

Все изменения погоды можно в принципе подразделить на три группы, в зависимости от пространственного масштаба. Глобальные изменения погоды в крупном масштабе - над целыми странами и континентами - во многом зависят от горизонтальной циркуляции воздуха в атмосфере. Циклоны, антициклоны, фронты - всё это явления синоптического или макромасштаба. В среднем масштабе, или мезомасштабе, помимо циркуляции атмосферы на погоду существенно влияет рельеф земной поверхности, особенно горы; кроме того, ее изменения в значительной мере обусловлены воздействием вертикальных движений воздуха - конвекцией. Образование морских бризов, катабатические ветры (бора) - всё это явления мезомасштаба.

И, наконец в микромасштабе, изменения погоды связаны с разнообразием местных ландшафтов и даже с влиянием человека: застройкой в городе, вырубкой леса и тп.

Ещё в 1904 г. норвежский физик и метеоролог 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 и составляет суть метода числового прогнозирования. Есть два основных метода её решения - первый, так называемый квазигидростатической модели, требует шага сетки модели более 10 км. Не прибегая к серьезной математике, это можно объяснить так: чем меньше территория, по которой дается прогноз погоды, тем больше факторов необходимо учитывать для того, чтобы прогноз был точным.

При шаге >10 км в систему уравнений описывающую модель можно вносить существенные упрощения и для её решения требуется существенно меньшая компьютерная мощность. С этими упрощениями стало возможным рассчитывать модели макромасштаба, к которым относится модель GFS. Однако, если шаг сетки по горизонтали менее 10 км, то систему уравнений необходимо использовать без упрощений, в этом общем случае модель атмосферы принято называть негидростатической. Для таких вычислений требуется большая компьютерная мощность и подробные топографические карты местности.

В конце 20 века вычислительная мощность доступная метеорологам наконец-то достигла пределов, в которых создание негидростатических моделей стало возможно в оперативном режиме. И вот - ура! - на рынке метеопрогнозов появились системы оперативного мезомасштабного прогноза погоды, способные прогнозировать погоду в отдельно взятом регионе. Стало возможным строить погодные модели с шагом до 300 м(!), чем не замедлили воспользоваться профессиональные гонщики регат класса “Кубок Америки” и других соревнований. Если синоптическая модель учитывает в основном глобальные процессы, происходящие в атмосфере, то подробно рассчитаная модель мезомасштабная модель покажет вам и усиления ветра у мысов, и начинающуюся бору, и заходы ветра у берега - она “знает” о рельефе местности и её особенностях. А это именно то, что нужно, в первую очередь, яхтсменам-гонщикам.

Макро и мезо масштаб

Итак, современные системы математического прогнозирования погоды в мире разделились на две основные группы:

Системы прогнозов в макромасштабе, дают представление о том, как будет развиваться погода с точки зрения глобальных процессов. В этой группе - любимая яхтсменами всего мира модель GFS, европейская модель ECMWF, модель NOGAPS и другие. Именно эти системы используются для составления синоптических карт , с дугами фронтов и лабиринтами изобар. Использование карт и GRIB-файлов с данными макромасштаба применимо, когда мы хотим ознакомиться с общими тенденциями развития погоды на следующие несколько дней

Системы прогнозирования мезо-масштаба, 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, но не дальше. Впрочем, спасибо и на этом: знание, что завтра вечером в Каштельском проливе будет бора, может не только уберечь вас от неприятной прогулки, но и спасти ваш депозит!

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

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, и оперативные прогнозы ALADIN доступны с сайтов метеослужб каждой из стран-участниц.

Наиболее ценным для яхтсменов является сайт http://prognoza.hr, который с хорошей степенью точности и с хорошим разрешением предсказывает метео-явления в Адриатике. К сожалению, все данные представлены на сайте в виде метеорологических карт - GRIB-файлы широко публике не предоставляются.

HIRLAM (High Resolution Limited Area Model)

HIRLAM - совместная разработка метеослужб скандинавских стран и Испании. Группа HIRLAM тесно работает с ALADIN как для взаимного улучшения моделей, так и для создания мезо-модели нового поколения - так называемой HARMONIE.

Метеоданные HIRLAM доступны с десятков разных сайтов - Ирландия, Испания, Норвегия и многие другие страны дают свои краткосрочные прогнозы используя именно эту модель.

Особый интерес для самостоятельного изучения представляет сайт 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 10км. Осторожно: его размер - 13Мб - и плотная сетка данных приводит популярную программу zyGRIB на моём “походном” нетбуке в состояние близкое к полному зависанию. Сам сайт yr.no заслуживает золотой медали в области простоты и удобства представления текстовых прогнозов для побережья Норвегии и некоторых других скандинавских стран - я регулярно хожу в северных водах и однозначно рекомендую его. На скриншоте - Фризкие острова и устье Эльбы, с прогнозом от yr.no: обратите внимание на плотность сетки прогноза!

Испанский сайт aemet.es http://www.aemet.es/es/eltiempo/prediccion/modelosnumericos/harmonie_arome может оказаться крайне полезным для собирающихся на Канары и в других прибрежных водах Испании: ни погодных карт, ни GRIB-файлов на нём нет, но есть полученный при помощи HIRLAM прогноз для основных портов и некоторых промежуточных точек на побережье. AEMET помог нам в переходе с Гибралтар на Канары, хотя и не смог (как и ни одна другая модель!) адекватно предсказать траекторию тропического шторма, проводившего в этот момент “влажную уборку” западнее Канар.

Модель WRF - Weather Research and Forecasting

В этом августе, покупая наживку для рыбалки в городе Кальяри, я разговорился с местным рыбаком, который порекомендовал мне в качестве хорошего источника прогнозов итальянский сайте Consorzio LaMMA http://www.lamma.rete.toscana.it/meteo/modelli/vento-e-mare Купленные резиновые кальмары оказались уловистыми, а сайт - хорошим онлайн-отображением мезомасштабной модели WRF - американской мезомасштабной модели которую используют для своих прогнозов многие погодные службы Европы. Фактически, LaMMA даёт бесплатно тот же прогноз, что и другой популярный платный сайт previmeteo360.com

Модель WRF используется массой платных и бесплатных сервисов. На данный момент - это самая доступная для метеорологов-любителей модель: при желании, вы можете скачать программное обеспечение и запускать ее на своем домашнем компьютере.

Прогноз в “облаках”

Придирчивый читатель, дочитавший статью до этого места, наверное, уже кривит губы: ну и что нового-то? По факту все опытные яхтсмены знают про то, что GRIBы врут, что нужно пользоваться местными прогнозами и что prognoza.hr хорошо предсказывает бору. О чём статья-то, мистер Капитан Очевидность?

Что же изменилось в 2009-2011 годах?

Если вы только не жили последние два года в каменной пещере, высекая обсидиановым топором лодку-долблёнку, то наверняка хотя бы краем уха слышали термин cloud computing - или “облачные системы”. Не слышали? Тогда мы наверное с вами живем в соседних пещерах: я тоже пропустил эту революцию в мире компьютеров и тесно связанным с ним миром метеорологии. Если вкратце, то её суть в том, что ураганными темпами стали развиваться услуги предоставления вычислительной мощности через интернет - по запросу пользователя. До свидания привычный “майкрософт офис” - теперь все ваши приложения могут жить где-то в “облаке” - гигантской компютерной “ферме”, расположенной неизвестно где: то ли в США, то ли в Таджикистане. Да и вам в общем-то всё равно где расположен сервер: где бы вы ни были, вы получаете доступ к своему приложению через обычный интернет-броузер. Развитие облачных систем привело к созданию огромных по своим размером серверных центров, купить машинное время в которых стало очень просто.

Метеорология оперативного масштаба требует существенного компьютерных мощностей. И вот, внезапно, для того, чтобы посчитать прогноз вам больше не нужно строить свой супер-компьютер или серверный кластер - достаточно зайти на сайт “облачного хостинга”, заплатить несколько долларов кредиткой - и вуаля: в вашем доступе мощности вполне достаточные, чтобы посчитать прогноз на сегодня на ваш любимый город.

Фирмы, предоставляющие услуги метеопрогнозов на заказ не могли не отреагировать на столь революционный факт. И на рынке появилось сразу несколько интересных компаний, которые предлагают за вполне умеренные деньги посчитать прогноз на интересующий вас регион с сеткой 4 км(!!), или даже точнее. Раньше заказные прогнозы были привилегий гонок Whitbread, миллионеров, совершающих морские круизы и коммерческих транспортных линий. Теперь они доступны любому желающему.

О чём нужно помнить, заказывая оперативный прогноз мезомасштаба? Как гласит народная мудрость - “не все белые таблетки одинаково полезны”: одну и ту же модель разные синоптики могут настроить совершенно по разному и получить разные прогнозы. Метеорология всё ещё остается наукой, и точность прогнозов зависит не только от всесильного компьютера, но и от квалификации метеоролога, вводящего данные и интерпретирующего результаты. Более того, в зависимости от интересующих параметров модель может быть “заточена” , например, на точный прогноз температуры, в ущерб точности прогнозирования, скорости ветра. Поэтому внимательно подходите к вопросу выбора поставщика прогнозов и отдавайте предпочтение тем сервисам, которые хорошо зарекомендовали себя как создатели оперативных прогнозов для яхтинга. И чего точно не стоит делать, так это не бросаться в другую крайность и начинать опираться только на полученый за 5 долларов индивидуальный супер-точный прогноз. Как показало наше тестирование платных погодных сервисов, ошибаются все - даже всемогущие супер-компьютеры.

WWW.PREDICTWIND.COM - мезомасштаб на всю планету!

Среди мезомасштабных прогнозов с точки зрения доступности по ценам и удобству интерфейса абсолютное первое место в моём личном рейтинге держит сайт http://predictwind.com. Сайт предлагает не одну, а сразу 4 модели: старую добрую GFS, канадскую GMC и инициализированные данными GFS и GMC мезомасштабные расчёты. Использование двух разных моделей - американской и канадской позволяет отметить моменты, когда прогноз имеет низкую степень достоверности, и модели начинают существенно расходиться.

Гоночные - однокилометровая и 4х километровая - сетки модели predictwind требует для расчёта значительных компьютерных ресурсов - поэтому до тех пор пока сайт не получит достаточного количества заявок мы не увидим этой сетки, например, на Финский залив или Онежское озеро. Создатели сайта попросили меня передать всем заинтересованным российским яхтсменам, что если они хотят увидеть расчёт подробной модели для своего региона, то им достаточно зарегистрироваться на сайте и оставить заявку, кликнув в нужном месте погодной карты - интерфейс сайта прост и интуитивно понятен, так что с этим не должно возникнуть особенных сложностей. Расчёт прогноза начнётся, когда оператор увидит, что в каком-то регионе есть достаточное количество потенциальных пользователей, чтобы оправдать необходимый для этого расход “облачного” компьютерного времени. (Питерцы, присоединяйтесь! :)

В апреле 2012 года я связался с основателем сайта Джоном Билджером (Jon Bilger) 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 1км на период тестирования. В течении сезона 2012 года мы тестировали прогнозы сайта predictwind в дальних морских походах Сабль-дОлон( Атлантический берег Франции) - Черногория и Черногория-Канары, регатах “45 футов” и Marmaric Race Week и нескольких 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-бальном ветре от северо-востока в Ионическом море. Однако внимательный анализ прогноза predictwind показал, что под самым берегом нас ждёт более слабый ветер, до 4х баллов от севера. Этот прогноз полностью оправдался, и позволил нам прийти в порт назначения вовремя. Встроенный маршрутный модель платной версии predictwind позволяет посмотреть как изменится время перехода, если вы выйдете на несколько часов раньше или позже: это позволило нам как следует отдохнуть в Мессине перед финальным броском в Адриатику.

На переходе Кальяри-Майорка в августе этого года мы использовали predictwind для оценки силы “мистраля” - северный шторм сбил наш график перехода, и мы ждали того 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 в очередной раз поверили модели мезомасштаба и задержались на ещё 8 часов. Только выйдя из-за ветровой тени Сардинии я понял насколько правильным 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 “мужской” бейдевинд против 7-бального ветра и соответствующей волны.

Не обошлось и без курьезов. На весенней регате в Хорватии мы лидировали в гонке Каштела-Трогир. Доверившись километровой модели на Каштелянский залив я ушёл “в берег”, лишь за тем чтобы, заштилев, бессильно наблюдать как соперники ушедшие мористее несутся на всех парусах к финишу. В третий день Мармарисской регаты эта же километровая модель на 180 градусов (!) ошиблась с предсказанием направления ветра.

По результатам тестирования я снова связался с Джоном Билджером, и задал ему несколько вопросов, чтобы прояснить возникающие аномалии на километровой сетке. Ответ был немного 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 немного левее или правее. Если говорить о сетке менее километра, которая могла бы дать более точный результат, то для её расчёта потребуются несораизмеримо большие компьютерные мощности, и стоимость прогноза будет крайне высокой. “Но это же и хорошо” - утешил меня Джон:“Что бы стало с парусным спортом, если бы наш айфон смог предупреждать нас о следующем порыве, с точностью предугадывая силу и направление захода ветра?”

“Грибной” суп

В настойщее время в интернете вы можете найти десятки, если не сотни сайтов представляющих платные и бесплатные прогнозы. Из популярных платных сервисов, не вошедших в наш обзор - http://previmeteo360.com, хорошо известный серферам http://www.windguru.cz в режиме WindGuru “Pro”, сайт “Грибы на заказ” - http://www.gribfiles.com. (В сезоне 2013 года мы проведём взаимное сравнение этих сервисов, базирующихся, в основном на модели WRF.)

Если вы прочитали статью до этого места, то надеюсь вы уже понимаете - получив тот или иной прогноз обязательно посмотрите, на какой модели он базируется, прежде чем сравнивать его с другими прогнозами. Один мой знакомый с пеной у рта утверждал, что сайт http://passageweather.com точнее и правильнее предсказывает погоду на 3 дня вперёд, чем GRIB-файлы полученные через GRIB.US. Спор завершило только сравнение скромной надписи в углу погодной карты passageweather с описанием полученого GRIB-файла: оба источника содержали данные расчитаной в одно и то же время синоптической модели GFS. Неприятным открытием для моего приятеля стало также 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, мой “портфель” на Адриатику на следующую весну выглядит так:

• GRIB-файлы модели GFS (для общей картины)
• профессиональная модель http://predictwind.com (MM5/WRF)
• http://windguru.cz “PRO” (WRF)
• http://prognoza.hr (ALADIN)
• GRIB-файлы http://yr.no (HIRLAM)

Переход Гибралтар-Канары я планировал используя:

• GRIB-файлы модели GFS
• модели GFS и CMC в http://predictwind.com
• сайт http://www.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 жесткими рамками сроков коммерческого перегона яхты, вам будет достаточно бесплатных GRIB-файлов и местного прогноза http://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!

Более подробно о проблемах связанных с использованием современных цифровых прогнозов читайте в третьей статье цикла - "Мезомасштаб: мифы и реальность"

( Статья впервые опубликована в журнале"Yacht Russia" от 01/2013 в сокращенном виде. Статья скомпилирована на основе материала урока "Прогнозы погоды", онлайн-школы Клуба Парусных Экспедиций, http://elearn.60north.ru. (с) 2012 Ф. Дружинин, перепечатка в любой форме без разрешения запрещена)