Про можливість математичного обрахунку стану атмосфери вчені здогадувались ще з часів перших спроб прогнозування погоди, після винайдення телеграфу у ХІХ столітті. Відомо навіть, що перший експеримент з чисельного прогнозу погоди був зроблений і опублікований Британським вченим Леві Річардсоном у 1922 році. Тоді на розрахунок прогнозу на 6 годин вперед йому знадобилося 6 тижнів ручної роботи. Виходячи з цього, він навіть описав концепцію фантастичної фабрики прогнозів, де б мали працювати тисячі робітників-рахувальників задля отримання вчасного результату.
«Фабрика прогнозування погоди», малюнок Стівена Конліна, 1986 р. на основі опису в роботі «Прогнозування погоди» чисельним процесом» Л. Ф. Річардсона, Cambridge University Press, 1922 р., та за порадою професора Джона Бірна, Trinity College, Дублін.
Зображення: чорнило та акварель, 50 х 38,5 см. © Stephen Conlin 1986.
Звичайно, тоді цей результат показав повну непрактичність такого підходу, і був забутий рівно до появи перших електронних обчислювальних машин. Ось тут передові науковці-метеорологи швидко передбачили за чим буде майбутнє – збагнули переваги чисельного прогнозу над аналітичним, а інженери-кібернетики зраділи нагоді практичного використання своїх перших доробків. І от таким чином прогнози погоди тепер стають однією зі стратегічних задач, які розв’язують суперкомп’ютери у світових обчислювальних центрах.
Ні для кого не секрет, що доволі звичайний сучасний ноутбук за кількістю обчислювальних операцій дасть фору кластерам суперкомп’ютерів 80-х років, на яких активно розвивалися ті самі обчислювальні методи прогнозів погоди минулого. Звісно, з тих часів і самі методи не стояли на місці а перетворилися на справжніх монстрів, які увібрали в себе життя поколінь, досвід сотень, а може й тисяч науковців та інженерів, мільйони годин вкладеної праці і, зрештою, найкращі здобутки людства, описані математично та алгоритмічно у вигляді програмного коду. На сьогодні це є, так звані, Earth System Models – моделі системи Землі, що включають в себе не тільки атмосферу а й гідросферу, літосферу, космічні, антропогенні фактори, та ін. Такі моделі вже здатні не лише спрогнозувати погоду, але й передбачити багаторічний клімат, та й взагалі стан навколишнього середовища в доволі широких межах.
Купчасто-дощові конвективні хмари, що утворюються при затіканні холодного повітря у верхніх шарах атмосфери, являють собою атмосферний процес малого масштабу (мезо-γ) та предмет дослідження методами математичного моделювання.
Звісно, існують і трохи менші моделі, скажімо, регіональні. І не даремно вище був згаданий звичайний ноутбук, тому що зараз він теж може стати справжнім інструментом в руках дослідника-метеоролога.
Але у чому, все ж, справа? Якщо вже створена модель, то що ще може бути не відомо про нашу атмосферу? І дійсно, це неймовірно, але якщо запрограмувати всього кілька простих законів природи, то в результаті отримаємо безліч комбінацій їх наслідків, і прослідкувати та зрозуміти весь причинно-наслідковий зв’язок вже буде зовсім не так просто. Сучасна ж регіональна модель атмосфери, така як WRF (Weather Research and Forecast, NCEP, USA), забере всі ресурси звичайного настільного ПК, та все ж видасть результат, розміром в сотні Гігабайт цифрової інформації, що описує стан атмосфери всього в кілька діб. Цього більше ніж достатньо для роботи навіть 10 дослідникам, якщо підходити до задачі суто технічно. Звичайно, таких людських ресурсів ми не маємо в науці, тому й мета дослідження ставиться дуже вибірково. Також слід розуміти, що «побутовий» комп’ютер навряд чи впорається із задачею прогнозування вчасно, але для дослідження атмосфери в ретроспективі – це цілком варіант.
І так, чому й навіщо…
Припустимо, колись відбулась якась стихія. Чому, як, де усе це відбувалось – ось ті питання, на які дасть відповідь модель. Звичайно, з певним наближенням, відхиленнями від реальності але вона покаже те, про що тільки здогадувались би дослідники та люди, які бачили все наживо. Відхилення в симуляції виникають і через, все ж, недосконалість наших моделей-монстрів, і через брак та якість вхідних даних вимірювань для них. Тому, перш ніж спиратися на результати моделювання, науковці завжди перевіряють їх достовірність, а далі вже – свобода наукової фантазії.
Ось лише один приклад, наш перший модельний експеримент для випадку сильних опадів в околицях української антарктичної станції «Академік Вернадський» відразу ж проявив купу регіональних особливостей, що формують як короткочасні погодні, так і вочевидь довготривалі кліматичні умови цього антарктичного регіону. Це як цілком очікувані ефекти гірських фенів, так і незрозумілі зони «анти-фенів», які наразі складно пояснити, однак особливості ландшафту та розповсюдження рослин підтверджують, що це не вигадка моделі, а, ймовірно, сама відповідь на загадку. Сюди ж підв’язується і просторовий розподіл опадів, що утворює стабільні структури за особливих, стабільних вітрових умов регіону. По суті, це наше місце в Антарктиці виявилось дуже підходящим для побудови та перевірки концепцій мезомасштабного розподілу опадів, що формується під впливом гірських перешкод.
Змодельовані поля кількості опадів та швидкості вітру на початок доби 15 квітня 2018 р. Чорним контуром обведена берегова лінія та гори Антарктичного півострова в районі станції Академік Вернадський.
Відео-анімація результатів моделювання деяких параметрів атмосфери у приземному шарі протягом 13-15 квітня 2018.
Просвіти в суцільному покриві низьких шаруватих хмар, що утворюються вздовж гірських виступів Антарктичного півострова. Регіональні моделі атмосфери можуть дати відповідь на питання чому спостерігається таке явище.
Від себе хочеться тільки подякувати всім тим, хто приклав свої зусилля до розробки такого чудового інструменту, який дозволив нарешті вихопити те невловиме, що відчувалось і навіть бачилось часом у небі, але просто вислизало з лона науки.
Денис Пішняк
Фото автора
