При перечислении аспектов «потребления» прогнозов Арктической погоды следует помнить афоризм «Арктика - кухня погоды». При этом, именно Арктический и Антарктический регионы хуже всего освещены данными гидрометеорологических наблюдений в силу простых причин трудности их выполнения. Особое значение для высоких широт имеет информация Искусственных Спутников Земли (ИСЗ).

С 2013 по 2022гг. Всемирная метеорологическая организация (ВМО) реализует Многонациональный Проект Полярного прогнозирования ВМО (ППП, Polar Prediction Project (PPP)). Проект имеет цель повысить точность численных прогнозов погоды, улучшить алгоритмы обработки и усвоения данных наблюдений, развить новые вероятностные подходы прогнозирования. Небольшой текущий период (середина 2017 – середина 2019 гг) в рамках этого проекта объявлен Годом Полярного Прогнозирования (ГПП, Year Of Polar Prediction (YOPP), цель которого обеспечить значительное улучшение возможностей прогнозирования окружающей среды в полярных регионах и за ее пределами путем координации периода интенсивных наблюдений, моделирования, прогнозирования, проверки, взаимодействия с пользователями и обучения.

Почему же, казалось бы, экстраполяция во времени существующих метеонаблюдений (это и есть прогнозирование погоды) для одного из регионов Земного шара вызывает столь активный международный интерес и представляет такую сложную задачу, которой занимаются специалисты различных специальностей Всемирной службы погоды?

Для этого разберемся в некоторых понятиях.

В настоящее время много говорится, пишется и делается в области цифровой экономики. Но мало кто знает, как много уже сделано в области цифровой метеорологии. Ярким примером этого направления является Численный Прогноз Погоды (ЧПП).

В настоящее время весь процесс ЧПП состоит из следующих компонент:

• выполнение во всем мире наблюдений с помощью метеорологических наземных и аэрологических метеостанций, буев, самолетов, спутников, радаров и других систем наблюдений (в сутки подготавливаются и транслируются сотни миллионов наблюдений!);
• транслирование этой информации в Региональные и Мировые центры Всемирной метеорологической организации (ВМО, World Weather Organisation (WMO));
• распространение во все метеослужбы мира;
• выполнение вычислений на суперкомпьютерах с помощью моделей окружающей среды, основанных на решении в четырехмерном пространстве (время и три пространственные координаты) конечно-разностных (или спектральных) аналогов исходной системы нелинейных уравнений гидротермодинамики;
• подготовки в цифровом и графическом (метеорологические карты, метеограммы, аэрологические диаграммы) видах отобранных результатов вычислений, адаптированных для пользователей;
• распространении результатов вычислений пользователям.

Вся эта работа с колоссальными числовыми полями полностью автоматизирована и выполняется практически без вмешательства человека.

Чтобы оценить, насколько огромны объемы числовых полей, подсчитаем, сколько значений содержат трехмерные массивы рассчитываемых метеорологических величин при вычислениях по базовой модели. Если учесть, что вычисления проводятся для всей толщи атмосферы примерно на 60 уровнях и горизонтальной сетке с 2000×1000 узлами (сетка конфигурации COSMO-RuENA с шагом 6.6 км), то несложные арифметические выкладки привет к оценкам примерно 120 000 000 чисел только для одной переменной модели (например, температуры воздуха) для описания только одного момента времени! Для того, чтобы сосчитать прогноз на сутки вперед, модели атмосферы требуется сделать 1440 шагов по времени. В общем, только поле температуры при прогнозе на сутки будет содержать примерно 170 миллиардов значений. А таких переменных в каждой точке атмосферного модельного пространства на каждом шаге по времени вычисляется значительное количество: температура, влажность, 3 компоненты скорости ветра, давление, притоки тепла и влаги за счет конденсации, турбулентности и переноса солнечной и тепловой радиации), помимо этого, еще вычисляется целый ряд с преобразованием тепла и влаги на в толще почвы, растительности/морского льда/внутренних водоемов. Да и прогноз, как правило, требуется минимум на трое суток вперед.  Так что нашу оценку 170 миллиардов неизвестных значений, необходимых вычислить для прогноза погоды для территории России, смело можно увеличить еще в 20-30 раз.  И только решение систем уравнений с таким колоссальным количеством неизвестных позволит улучшить качество прогноза погоды в целом и прогноз опасных метеорологических явлений, в частности.

Одновременно с усовершенствованием оперативной системы COSMO-Ru в Гидрометцентре России проводятся работы по исследованиям прогнозируемости и генезису наиболее опасных погодных явлений Арктическом регионе.

Основой оперативного прогнозирования погоды является Программа Всемирной службы погоды (ВСП, World Weather Watch (WWW)) ВМО.  Обратимся к статье из Большой советской энциклопедии, где, по словам ее автора, виднейшего советского ученого Виктора Антоновича Бугаева, эта система состоит «из трёх мировых и более двадцати региональных метеорологических центров, соединённых между собой каналами быстродействующей связи. Мировые центры находятся в Москве, Вашингтоне и Мельбурне. Основная цель ВСП централизовать сбор и обработку сведений о состоянии погоды на всём земном шаре для улучшения и облегчения работы национальных метеорологических служб. Мировые и региональные центры распространяют готовые карты и сводки текущей и будущей погоды и состояния океанов, которые используются национальными и местными метеорологическими службами. Сбор, обработка и обмен информацией по каналам связи автоматизированы. ВСП опирается на глобальную систему наблюдений, включающую различные виды наземных станций и метеорологические спутники».

Важно, что концепция ВСП ВМО была разработана совместно ее «отцами» Виктором Антоновичем Бугаевым (многие годы он был директором Гидрометцентра России) и Гарри Векслером (Harry Weksler, в то время директором Метеорологических исследований Бюро погоды США). На рис. 1 приведена совместная фотография В.А. Бугаева и Г. Векслера и подпись к ней из выпуска журнала Bulletin WMO, volume 62 (1), 2013). В своей вступительной статье к этому номеру журнала об этом же написал Генеральный секретарь ВМО М. Жарро (M. Jarraud).

Рисунок 1. Основатели Всемирной службы погоды (фотография из освященного 50-летию ВСП журнала Bulletin WMO, volume 62 (1), 2013)

Итак, арктическая погода является важным компонентом всей цепочки метеорологических процессов, а получение информации о ее эволюции и прогнозировании есть результат работы Всемирной службы погоды.

Моделирование атмосферных процессов важно не только для их численного прогноза, но и для изучения ее закономерностей, природы возникновения и/или спонтанного развития тех или иных опасных явлений, что особенно важно в условиях Арктики, где не непосредственные наблюдения, как мы говорили, затруднены.

Для численной имитации быстроразвивающихся погодных явлений требуется численное моделирование на сетках с шагами, равными несколько километров, т.к. в подавляющем большинстве случаев эти образования в атмосфере имеют сравнительно небольшие размеры.

Важным стратегическим ресурсом Росгидромета является функционирование в нем системы моделирования COSMO-Ru на основе модели COSMO, разработанной ведущими коллективами по численному моделированию ряда европейских стран в рамках одноименно консорциума, в состав которого с 2009г. входит Россия (см. сайт cosmo-model.org). Согласно регламентам Консорциума, условия на боковых границах всем странам, как его членам, так и имеющим пользовательские лицензии, предоставляет Немецкая служба погоды по результатам счета своей глобальной модели ICON, одной из самых лучших в мире. В нашей стране в настоящее время создается дублирующая технология формирования таких условий глобального численного прогноза непосредственно в Гидрометцентре России.

На Рис. 2 приведены области оперативного прогноза погоды, используемые в настоящее время (до переноса технологии на новый суперкомпьютер) в системе ЧПП COSMO-Ru в России. Из рисунка видно, что северная граница наибольшей области регионального высокодетального прогноза погоды ENA (Europa and North Asia), помимо России, большую часть Европы, моря Северного Ледовитого океана до Северного полюса, часть Тихого Океана, включающую омывающие Россию его окраинные моря. Такая область необходима для достоверного прогноза по нашей стране хотя бы на 3-4 суток вперед.

Ключевым шагом в прогнозировании и исследовании погоды в арктических районах нашей страны и примыкающих морях Северного Ледовитого океана будет внедрение в Гидрометцентре России в текущем году новой версии модели COSMO-Ru с шагом вычислительной сетки 6.6 км по региону COSMO-Ru-ENA. Численный прогноз погоды для такой большой территории даст уникальную возможность проводить прогноз по колоссальной территории с таким небольшим шагом сетки, учитывая влияние атмосферных процессов, проходящих во всех областях, влияющих на погоду над территорией России. Переход на такой шаг по пространству от более «грубого», равного 13.2км, стал возможным благодаря вводимому в настоящее время суперкомпьютеру Cray XС40-LC в Гидрометцентре России и Главном Вычислительном центре Росгидромета с пиковым быстродействием 1,2 Пфлопс (10¹⁵ арифметических операций с плавающей запятой в секунду). В дальнейшем планируется существенно расширить области вычислений с шагами 2.2 км, ввести больше «очагов» вычислений с шагом 1.1 км, причем для особо важных районов и крупных спортивных мероприятий на открытом воздухе производить вычисления с шагом порядка 500м.

Планируемую новую версию системы численного прогноза погоды COSMO-Ru с использованием соответствующих конфигураций модели новой региональной модели ICON-LAM консорциума COSMO предполагается применить в работах по обработке результатов YOPP. Надеемся, что такая версия системы COSMO-Ru позволит не только принять активное участие в обработке результатов наблюдений за период YOPP, но и получить новые знания об опасных атмосферных процессах в Арктике.

Рис.2. Области численного прогноза погоды по системе COSMO-Ru Гидрометцентра России с шагами сетки 13.2 км (конфигурация модели COSMO-Ru13 (ENA)), 7 км (конфигурация COSMO-Ru7), 2.2 км (конфигурация COSMO-Ru2) и 1.1 км (конфигурация COSMO-Ru1). Цвет имени конфигурации соответствует соответствующим областям.

Большой интерес исследователей вызывает прогнозирование возникновения, перемещения и жизненного цикла таких опасных атмосферных структур, как полярные циклоны (ПЦ), не менее опасных, чем более известные тропические циклоны (ТЦ).

По определению, полярными называют мезоциклоны, которые имеют

• небольшие размеры (не более 1000 км, обычно 50 – 600 км),
• возникают над морем ближе к от основной бароклинной зоны (например, полярного фронта),
• имеют скорость ветра у поверхности Земли более 15 м/с.

Отметим, что скорость перемещения ПЦ может достигать 35 м/с (более 100 км/час). Характерными особенностями полярных циклонов являются их короткий период жизни, не превышающий 2-3 суток, и высокая скорость перемещения над поверхностью океана и быстрым затуханием над сушей.

Эти атмосферные вихри долгое время даже не рассматривались в учебниках по классической синоптике, поскольку были неуловимы существовавшими в то время системами наблюдений.  Лишь информация об облачных полях, получаемая со спутников, несколько «пролила» свет на их существование и типичные условия возникновения. Пример типичной облачной картины для ПЦ показан на Рис. 3. Тем не менее, в природе их возникновения до сих пор много неразгаданного, а достоверный их прогноз хотя бы на день вперед значимо повысил бы безопасность многих видов деятельности в Арктическом регионе.

Рис. 3.  Пример спутникового снимка типичной картины облачности семейства из двух зарождающихся полярных циклонов в акватории Норвежского моря. Через 12 часов это семейство уже прибудет с жестокими штормами в российские воды Баренцева моря.

Для изучения генезиса и повышения надежности прогнозирования ПЦ с помощью численных экспериментов в Гидрометцентре России были исследованы причины возникновения ПЦ и влияние качества информации о внешних параметрах (граница льда, температура океана и т.д.). Эксперименты проводились на основе вычислений с шагом сетки 2.2 км, и было показано, что именно такой шаг необходим для достоверного прогнозирования траекторий перемещений этих вихрей. Для корректного выполнения этих численныхэкспериментов потребовалась последовательная «телескопизация» вычислений от общей области ENA с шагом сетки 13.2 км до области, охватывающей акватории Норвежского и Баренцева морей, с шагом 2.2 км. (Рис. 4).

Было показано, что точность использованных данных о температуре морской воды и сведений о границе и сплоченности льда являются ключевыми для численного прогноза этих образований.  Кроме того, просматривалась связь с глобальными процессами, такими, как опоясывающее все полушарие струйное течение на границе тропосферы и стратосферы. Эти интересные результаты, уже опубликованы в ряде статей и доложены на различных конференциях, в частности, в 2018 г на Ассамблее Европейского геофизического союза.

Рис. 4. Области прогноза погоды по конфигурациям модели СOSMO
с шагами сетки 13,2 км, 6,6 км и 2,2 км, использованные при исследованиях прогнозируемости полярных циклонов.

В заключение отметим, что надежный прогноз локальных штормовых явлений в Арктике не возможен без слаженной работы всех компонент Всемирной службы погоды, т.е. измерений, передачи и обработки данных для подготовки вычислений на основе моделей атмосферы.  С другой стороны, требования к параметрам моделирования достаточно высоки: требуется высокая детализация вычислений, следовательно, обработка невероятно огромных цифровых массивов и достаточно точное описание физических процессов небольшого масштаба.

Таким образом, для проведения работы в области технологии цифровой метеорологии требуется высокопроизводительная техника, высококвалифицированный персонал и системы быстрейшего доведения полученных вычислений. Проводимые в Гидрометцентре России исследования атмосферных процессов Арктики и возможности их достаточно точного численного прогнозирования позволят повысить метеорологическую безопасность не только России, но и стран Арктического региона.

Настоящая статья основана на результатах исследований Арктики и прилегающих районов, в которых авторы принимают участие: Р.М. Вильфанд и Д.Б.Киктев– при поддержке РНФ (грант № 14-37-00053-П), Г.С. Ривин – при поддержке РНФ (грант № 18-17-00149).