Откуда взялся прогноз ветра?

Очень просто открыть приложение для смартфона и посмотреть прогноз погоды на завтра. Но откуда смартфон знает этот прогноз. Это история долгая и началась она в 1910 году.

Все началось 20 мая 1910 года в Манчестере. Профессор математики, Льюис Фрай Ричардсон решил проверить некоторые идеи другого математика Вильгельма Бьеркнеса. Собственно, он попытался рассчитать математическую модель атмосферы у себя над головой и сделать шестичасовой прогноз. Измерив атмосферные параметры для исходных данных в 7 утра, он уселся за стол и начал считать систему дифференциальных уравнений. Расчеты продолжались полтора месяца или 6 недель - а что вы хотели? Ручная работа. Первый блин вышел комом — прогноз нихрена не подтвердился. Однако Льюис пошел в гости к ирландскому метеорологу Питеру Линчу и вместе они разобрались, что проблема в аппроксимации давления. Пришлось это учесть дальнейшем. Второй раз он собрался с силами только через 10 лет и посчитал погоду на севере Франции — все замечательно спрогнозировалось. Ну, если учесть, что прогноз был получен на полтора месяца позже. 

То было время пара и немного электричества. В Европе уже назревала Первая Мировая, в Российской Империи набухала Октябрьская революция, а древние метеорологи делали свои прогнозы по записям наблюдений за много лет и барометру. Такие дела. 

Ни айфонов ни компьютеров в то время еще не было, но прогноз погоды получить очень хотелось. Тогда Льюис взял и придумал компьютер из людей. Если посадить в театре тысячу математиков, которые будут непрерывно решать дурацкие дифференциальные уравнения, то результат можно получить гораздо быстрее, чем если их будет всего пятьсот. Льюис даже расписал структуру такого компьютера и его функциональные части. Но то ли в Англии не набралось тысячу математиков, то ли театры были все заняты — идею не поддержали. Жаль, это было бы хотя бы весело. 

Льюис Фрай Ричардсон был замечательным человеком, в честь него даже назвали число Ричардсона в теории турбулентности. К примеру, он был упертый пацифист и противник насилия. В итоге он разработал математический аппарат для анализа основ международного конфликта. Тут тоже случилось забавное открытие. Одним из параметров вероятности конфликта между странами была общая граница. Занимаясь измерением границы, Фрай обнаружил, что при разной точности измерения, длина границы будет совсем разной. Это так называемый парадокс береговой линии или эффект Ричардсона. В то время научная общественность проигнорировала открытие - дебилы. Только в 1967 году Бенуа Мандельброт назвал Ричардсона пионером концепции фрактальной размерности и припомнил его статейку. Да, чуть не забыл, Фрай в 1912 году акустический локатор и гидролокатор изобрел, это его так гибель Титаника затронула. Что тут сказать — гений. 

В 1940 году Ричардсон вышел на пенсию и целиком отдался разработке математической прогностической погодной модели. В 1950 году был построен компьютер ENIAC. Наконец Ричардсон получил инструмент для свой модели. Первый простенький компьютерный расчет прогноза погоды на 24 часа занял 25 часов. Стало ясно, что у кого больше вычислительной мощности, у того и прогноз будет. Значит переезжаем в США, именно там прогнозируется компьютерный бум по всем прогностическим моделям. 

Первый проект численного расчета прогноза погоды в США организовался в 1955 году. Это был совместный проект военно-воздушных сил, флота и национального бюро погоды США. Проект назывался the Joint Numerical Weather Prediction Unit или сокращенно, как любят военные JNWPU. Разработкой прогностической модели занялся Норман А. Филлипс, вернее целая группа Чарни-Филиппса из Принстона. Через год заработал алгоритм GCM, правда пока не в глобальных масштабах. Первые успехи компьютерного прогнозирования дали отмашку на создание сразу нескольких групп разработчиков алгоритмов прогнозов. Но первая глобальная всемирная модель циркуляции воздуха была создана в конце 60-х годов в NOAA, Национальном управлении океанических и атмосферных исследований совместно с Лабораторией геофизики и гидродинамики США. 

Компьютеры становились все мощнее, разрабатывались новые атмосферные модели с большим количеством параметров. В разработку включалось все больше специалистов. Развитые страны стали внедрять и у себя расчеты погоды. В 60-е годы Швеция, ФРГ. В 70-е Великобритания, Австралия. Так совместными усилиями к концу 80-х годов стали довольно точно предсказывать тропические муссоны и генеральные погодные явления. А с другой стороны стало ясно, что без глобального расчета всех погодных параметров для всего земного шара, достоверного прогноза не получить. В итоге к концу 90-х годов появилась Global Forecast System (GFS). 

Сегодня GFS модель, это главная математическая модель погоды в мире. Для каждой прогнозируемой точки рассчитываются сотни параметров. Атмосфера делится на 60 слоев и для каждого слоя свой прогноз. Расчет происходит на одном из самых мощных компьютеров мира с производительностью 6 петафлопс. Алгоритм запускается 4 раза в сутки и делает два прогноза, один на 16 дней с низким разрешением, и второй на 7 дней с высоким. Высокое разрешение, это точка где-то каждые 13 км, а низкое 27 км. 

А вот тут самое интересное: результаты выкладываются в формате gribb2 в общественный доступ. Ну так устроены законы США. То есть, весь мир пользуется, а платят американские налогоплательщики. Но если честно, то не совсем так. Дело в том, что для расчетов необходимы исходные данные текущего состояния погоды. В городе Женеве есть WMO – всемирная метеорологическая организация, которая собирает со всех стран мониторинг и раздает всем станам. То есть наши метеоцентры туда посылают, а уж наших мы оплачиваем со своих налогов. Так что и наша копеечка малая там есть. 

Еще есть прогноз WW3, который выдает Отделение морского моделирования и анализа MMAB два раза в сутки — это прогноз волн. Тоже глобальный, но только на морях и океанах. На Азове можно посмотреть, а Байкале нет. Если честно, то прогностических моделей много и прогнозов тоже. Есть IFS в Европе, есть GEM в Канаде, но не будем отвлекаться, нам еще до прогноза приземного ветра добраться надо, это для нас самая мякотка. 

После того, как NOAA выпускает свой глобальный прогноз GFS, можно его взять и улучшить. Несмотря на запредельные мощности компьютеров NOAA, глобальная модель упрощенна и не учитывает массу параметров, да тот же рельеф местности. Для уточнения существуют специальные алгоритмы, так называемые Mesoscale models. Свои родные Соединенные Штаты и Гаваи, NOAA обсчитывает по алгоритму HRW. Хотя, если надвигается тропический ураган, то бросают это занятие и считают уточненную модель для Атлантики. 

А вот тут мы переходим к смешным чешским дядькам. 

Молодой и веселый серфер из Чехии, Вацлав Хорник сидел и ждал ветра. Ветра все не было, а прогноз от NOAA вот он — бери, не хочу. Информации вагон плюс две тележки, но посмотреть по человечески нельзя. Взял Вацлав талмуд с сайта NOAA, разобрался с форматом gribb и написал красивую визуализацию для одной точки сетки, то есть для своего любимого спота. Так появился сайт windguru.cz. Потом Вацлав подумал: «все одно ж не дует, а чего бы мне и не замахнуться на Вильяма, нашего, Ричардсона.» И принялся прикручивать к прогнозу GFS уточненный алгоритм WRF. Для начала просчитал всю родную Чехию с самым точным шагом. Потихоньку докупил серверов и стал считать по алгоритму WRF самые популярные серфовые споты. Потом и уточненный алгоритм для волн прикрутил - HWW3. За 17 лет он уже много чего наделал, безобразник. Заодно придумал немножко монетизации. Серваки-то в датацентре стоят и кушают чешские кроны с аппетитом. Надо отдать должное, денюжки он берет только за свою работу. То есть, бесплатный GFS отдается бесплатно и без задержки, а вот посчитанный им WRF задерживается на 12 часов для тех, кто не купил заветный премиум. Кайтеры и виндсерферы боготворят виндгуру, пользуются, да нахваливают. Все удобно, хорошо, красиво. Еслиб еще 20 евро не зажимали, то совсем был бы парадайз. Отдайте Хорнику его 20 евро, не жадитесь, а то загнется наш чех! 

Что хорошо виндсерферам, то убивает яхтсменов или для яхтинга виндгуру как бы не совсем полезен. Ну, допустим я знаю погоду в точке выхода и знаю погоду в точке прихода, а что по пути-то будет, да в динамике пожалуйста. 

Тут на свет божий появляется французский умница Жак. Однажды, а именно 10 лет назад, решил Жак Занинетти пройтись на на своей яхте. Зашел в офис марины и спрашивает там: «Месье, я тут собрался мотнуть в сторону Корсики, что у нас с погодой-то на ближайшее время?» А ему отвечают: «Все пучком, Жак, вали уже до своей Корсики.» Ну, он и пошел. А ночью пришел такой штормяга, что хоть ложись и бойся до поноса. Слава богу, Жак Занинетти дошел все же живой, хоть потрепанный. Подремонтировал немного свою яхту, узнал прогноз из десяти источников, на всякий случай, и спокойненько вернулся в свою марину. Там он решил устроить скандал в офисе, разбить им чашки, рыла, степлер, но будучи ученым, поразмыслил аналитически и решил найти способ не зависеть от раздолбаев, чтоб им всем фуагра не в то горло встала, merde. Уехал в свой Лемож и для начала скачал официальную программу NOAA для просмотра файлов gribb. Есть у них такая кочерга, зовется uGrib. Кстати, все программы у них в свободном доступе и можно скачать, если вдруг у вас найдется пара тройка лишних петафлопов для расчета. uGrib программа убогая, сделанная на «отстань, вот тебе кочерга - шуруй». Для начала, Жак сделал улучшенную версию zUGrib. Z, как вы понимаете, это Zaninetti. Первая версия увидела свет 29 января 2008 года. Потом Жак понял, что исходная штуковина совсем негодная и к маю написал программу с нуля на Си. Так появилась бесплатная программа ZyGrib. Нам повезло, что тогда Жак был обычным программистом на Си, сейчас он уже проректор по научной работе в университете. Зато он позволяет пользоваться сервером университета, где лежат самые свежие файты gribb от NOAA, и их можно кроить и считывать хоть по тыще раз. С серверами NOAA так не получится, забанят айпи в пять секунд. 

Как zyGrib работает? Вы ставите программу на свой комп, отмечаете на карте нужный район плавания и нажимаете скачать прогноз. В итоге получаете все прогнозы NOAA для этого района и можете смотреть в динамике, статике или еще как. Приземный ветер, осадки, грозы, волны, образование барашков, энергетическая составляющая поверхности, точка росы и еще куча всякой облачности. Если же вы встретили в море другана, у которого «тырнет не бачит», можете ему прогноз на флешке передать — это просто файл в формате gribb2. Красота! 

Как вы уже поняли, отношение к ветру у серфовых и яхтенных немножко отличается. Серфер мечтает, чтоб задуло, как из пушки. А когда придет шквал, да так, что выдует у серфера из трусов все мысли о каталке, то серфер просто пойдет в ближайший бар и будет там вещать, какой афигенныей ветрила пришел. Я ему даже завидую в такой момент. Яхтаны думают совсем иначе — «попутный, да хоть 40 узлов, фигня. Встречный, 20 узлов — да ну нафиг!» 

Я на этот счет, лет 20 назад придумал поговорку: «Лучше сидеть на берегу и жалеть, что ты не на воде, чем сидеть на воде и жалеть, что ты не на берегу.» 

Что касается прогнозов погоды, то я вам скажу такую простую штуковину — берите все прогнозы, что доступны и если прогноз плохой верьте, а если хороший, то нет, и будет вам счастье... может быть, а может и нет. 


Андрей Хитрово/wind.ru