Предвычисление бурь и наводнений — пятница, 16 апреля 2010-го

Сражение с трехголовым страшилищем

Просмотров: 1998

Когда ученый исследует природу, он пользуется тремя инструментами: наблюдением, экспериментом и теорией.



Наблюдение и эксперимент дают ему факты, цифры. А теория извлекает из миллионов цифр, из несчетного множества отдельных случаев общие законы, уравнения, формулы.



Цифры уступают место буквам. Арифметика заменяется алгеброй.



И чем точнее наука, тем увереннее пользуется она инструментом формул и уравнений.



С дней своего детства метеорология только и делает, что смотрит и наблюдает. Сейчас она принимается также и за опыты. Я видел в Главной геофизической обсерватории «камеру туманов» — башню, в которой туман создают и рассеивают по желанию.



И математикой метеорология тоже начинает пользоваться все чаще и увереннее. Конечно, и прежде метеорологи считали, они вечно имели дело с цифрами. Но только теперь они пробуют не только предсказывать, но и предвычислять погоду.



Предвычисление погоды!



Многие считали это невозможным. Ведь машина планеты— это сложная машина.



Если принять в расчет все ее детали, то формулы и уравнения получатся такие громоздкие и запутанные, что даже у самого опытного математика опустятся руки. Немецкий ученый Кошмидер пишет, что тут приходится иметь дело «с непреодолимыми математическими трудностями».



Английский ученый Дуглас спрашивает в одной из своих статей: «Насколько можно будет когда-либо прилагать математику к предсказанию погоды?» И отвечает, что «практика прогноза в настоящее время создает довольно-таки пессимистический взгляд на это».



Еще в 20-х годах английский метеоролог Ричардсон составил такую систему уравнений, по которой можно было рассчитывать погоду на завтра. Но когда он попробовал эти уравнения решать, оказалось, что для расчета погоды на один день нужен по крайней мере год времени.



Что бы вы сказали о поваре, который потребовал бы год времени для того, чтобы приготовить завтрашний обед!



Работали над задачей о погоде и у нас. В 1919 году в Главной геофизической обсерватории был для этого создан специальный отдел.



Прежде чем взяться за предвычисление погоды, наши ученые— профессор А. А. Фридман, академик Н. Е. Кочин и другие — решили сначала заняться физикой погоды.



Ведь сама по себе математика — без физики — ничем тут помочь не может. Как любил говорить академик А. Н. Крылов, математика — это мельница, которой все равно, что молоть.



Как делается погода в природе? Над землей движутся теплые и холодные воздушные потоки. Но движение изучает механика, а теплоту — термодинамика.



Значит, для решения задачи о погоде надо позвать на помощь и эти две физические науки, а не одну только математику.



Наши ученые рассуждали так:



«При помощи законов, добытых из механики, астроном предсказывает движение планет, артиллерист вычисляет траектории снарядов. Механика жидкостей и газов -— гидромеханика — позволяет предсказать приливы и отливы, рассчитать плотину, показать, какая должна быть форма крыла самолета, лопатки турбины. Почему же нельзя использовать механику и для расчетов погоды?»



Я взял эти слова из статьи профессора И. А. Кибеля, который занялся задачей о погоде вслед за Фридманом и Кочиным.



Профессор Кибель вспоминает в своей статье Кошмидера, Дугласа и прочих, которые доказывали, что решить задачу о погоде невозможно:



«Послушаешь этих авторов — и кажется, что страшилище о трех головах охраняет входы к этой задаче».



Что же это за три головы?



Первая голова: «Можно просто растеряться в огромной пестроте начальных физических данных».



Всякая задача начинается со слова «дано»: дано то-то, требуется найти то-то. В задаче о завтрашней погоде даны сегодняшние температура, давление, влажность, ветер и прочее, и прочее, да притом еще в тысячах мест, на земле и над землей, утром, вечером, ночью...



Иногда бывает, что задачу трудно решить потому, что мало данных. Тут данных слишком много.



Вторая голова страшилища: «Невозможно решить общую систему уравнений гидромеханики».



Нам в школе нередко трудно бывало решить даже систему из двух простых уравнений. А тут не два, а много уравнений, да к тому же еще очень сложных, дифференциальных. Тут приходится иметь дело со многими неизвестными.



Третья голова страшилища: «Если бы даже решение и было получено в общем виде, то вычислительная работа для каждого отдельного случая была бы колоссальна».



Год времени на вычисление завтрашней погоды — это действительно многовато!



Надо было упростить задачу.



А это-то и оказалось самым сложным.



Но профессор Кибель, продолжая дело своих предшественников, смело вступил в бой с трехголовым страшилищем.



Прежде всего надо было найти средство против пестроты и обилия начальных данных.



На синоптической карте было множество точек, и в каждой точке была своя температура, свой ветер.



Профессор Кибель решил брать для расчета не температуру точки, а среднюю температуру некоторой области, не мгновенный ветер, а средний ветер за какое-то время и в каком-то районе.



Пестрота объясняется еще и тем, что на станциях погоду наблюдают около земли. А земля не везде одинаковая. В одном месте — песок, там земля сильнее нагревается солнцем. В другом месте — лес или болото, там прохладнее. Теплые и холодные струи воздуха перемешиваются, образуют вихри, делают картину погоды мозаичной, пестрой.



А повыше над землей, на высоте в километр-полтора, картина гораздо проще, спокойнее.



Значит, чтобы упростить задачу, надо брать для расчета не приземный слой, а тот, который повыше.



Профессор Кибель так и поступил. Он облек все это в математическую формулу. И оказалось, что пестрота исчезла. «У страшилища осталось только две головы».



Теперь надо было приниматься за решение системы уравнений. Но это было безнадежное предприятие. Тут все усложнялось трением воздуха о землю и нагреванием его от земли.



Профессор Кибель вспомнил, что в гидромеханике часто приходится иметь дело с потоками воды, бегущими по трубе. Там тоже расчетам мешает трение о стенки и нагревание от стенок. Ученый Прандтль нашел способ упрощать задачу, когда речь шла о трубах или каналах.



Так нельзя ли этим же способом упростить и задачу о воздушных потоках?



Нижняя стенка — земля, верхняя — стратосфера.



Профессор Кибель воспользовался способом Прандтля, и уравнения стали проще.



Но они были еще слишком сложны.



Мешало то, что все масштабы в задаче были очень мелки. Когда речь идет об огромных массах воздуха и о предсказании погоды на сутки вперед и больше, час — это мгновенье, а область протяжением в сто километров — точка.



Надо было принять за единицу времени сутки, за единицу длины — пятьсот километров.



И вот наконец уравнения стали поддаваться решению.



Я не могу рассказать о том, как профессор Кибель решал вои уравнения. Это все равно что рассказать музыкальное произведение. Музыку можно передать только нотами, математику — математическими знаками. Если вы хотите познакомиться с Чайковским или Бетховеном, вы идете в филармонию или раскрываете нотную тетрадь. А если вы захотите когда-нибудь узнать, как профессор Кибель решал свои пять уравнений, вы раскроете его труды.



И вот уравнения решены. Получены формулы, позволяющие по сегодняшней погоде предсказывать завтрашнюю.



Вам сообщили по радио или телеграфу температуру и давление, измеренные сегодня в семь часов утра наблюдателями на станциях и радиозондами в воздухе. Подставляя эти данные в формулы, вы вычисляете, какие будут завтра на земле и над землей температура, давление, ветер, вертикальные токи воздуха.



Но страшилище все еще не побеждено: у него осталась одна, последняя голова. Чтобы отсечь и эту голову, надо было «устранить последнее препятствие — привести формулы к такому виду, чтобы можно было не просто считать, а быстро считать».



Профессору Кибелю удалось добиться и этого, упростив формулы. Там, где Ричардсону нужен был год, Кибелю довольно было и получаса.



Так была решена одна из самых трудных задач науки — задача о завтрашней погоде, или, вернее, о завтрашних температуре, давлении и ветре.



Сейчас в Центральном институте прогнозов рядом с синоптиками работают и предвычислители.



По оправдываемости прогнозов предвычислители уже почти догнали синоптиков.



Результаты будут еще лучше, когда у нас в стране будет больше аэрологических станций, больше радиозондовых наблюдений.



Профессор Кибель и его сотрудники продолжают работу, совершенствуя свой способ.



Работы Фридмана, Кочина и Кибеля совершили перелом, переворот в метеорологии.



Первый перелом произошел лет тридцать тому назад, когда синоптики начали составлять прогнозы. Не просто по температуре и давлению, а по движению воздушных масс и фронтов.



А второй перелом начинается сейчас, когда люди уже пробуют не предсказывать, а предвычислять погоду.



Синоптики все чаще говорят «сколько». А раньше они говорили «что» и «как».



К искусству предсказания и опытности добавляется точный расчет^ умение находить опору в математике и физике.



Прежде синоптик был похож на искусного мастера, сейчас он становится инженером погоды.



И каждое утро в 10.30, когда в комнате главного синоптика собираются на совещание синоптики-краткосрочники и синоптики-долгосрочники, приходят и те, кто пользуется инструментом математики.



На столе лежат графики и карты — наземные и высотные.



Главный синоптик докладывает о том, что было с погодой в его дежурство, как оправдался прогноз. Одна бригада синоптиков «сдает» погоду, другая «принимает».



Обсуждается не только то, что было, но и то, что будет.



Долгосрочники говорят, как, по их мнению, погода будет вести себя через три дня, в следующем естественном синоптическом периоде, в следующем месяце.



Люди, занимающиеся предвычислением всех сюрпризов и капризов погоды, приносят числа и графики, составленные у них, в отделе динамической метеорологии. Идут споры. В прогноз вносят поправки, уточняют его.



И вот наконец начальник синоптического отдела говорит: «Так мы и решим». Постановление принято. Теперь весь вопрос в том, согласится ли с ним погода.



Синопгик возвращается домой после круглосуточного дежурства. Тут бы ему и отдохнуть. Но его душа неспокойна.



Даже в выходной день он нет-нет да заглянет к себе в «небесную канцелярию», чтобы посмотреть на карту и узнать, что нового в атмосфере, оправдывается ли его прогноз.



Давно прошли времена Фицроя. Но и сейчас еще синоптикам нередко достается от публики, особенно от тех, кто судит и рядит о погоде, не зная, что это такое. Над синоптиками иногда подсмеиваются, их называют «колдунами» и «ветродуями».



Если прогноз оправдался, синоптику никто не говорит спасибо. А вот если синоптик ошибся на несколько километров и гроза прошла стороной, этого ему не простят.



Один американский метеоролог рассказывает: как-то раз, заметив на карте приближение холодного фронта, он предсказал, что в районе Чикаго будет гроза и ливень. Один ливень прошел немного севернее Чикаго и потревожил тридцать тысяч обитателей Уокигэна. Другой прошел к югу от Чикаго и побеспокоил еще тридцать тысяч человек в Хэммонде. А в Чикаго, с его тремя миллионами жителей, не упало ни капли дождя.



Жители Уокигэна и Хэммонда считали, что синоптик дал правильный прогноз, а жители Чикаго уверяли, что он ошибся.



Так в глазах подавляющего большинства синоптик оказался обманщиком, хотя он сказал чистую правду.



Синоптик имеет дело с гигантами — с воздушными массами, которые занимают пространство в десятки и сотни тысяч квадратных километров.



А потребители хотят, чтобы он давал им прогноз для их города, для того маленького клочка земли, на котором они живут.



Со своей точки зрения они правы. Но если говорить об интересах всей страны, то не так уж важно, захватил ли предсказанный дождь предместья или центр города, лишь бы он оросил поля.



Синоптик старается предсказать главное. Если он спас корабли, предупредив моряков о шторме, или сберег урожай, предсказав засуху, он считает, что сделал свое дело.



Люди часто говорят: «Знаем мы этих синоптиков! Им предсказывать нетрудно: либо дождик, либо снег, то ли будет, то ли нет».



Но давайте проверим с цифрами в руках, так ли это на самом деле.



В переводе на язык цифр выражение «то ли будет, то ли нет» значит: пятьдесят — за, пятьдесят — против.



А как оправдываются прогнозы в действительности?



Тут все зависит от того, далеко ли синоптик заглядывает в будущее.



Самый краткосрочный прогноз — на несколько часов — дают на аэродроме летчику, чтобы он знал, какая погода встретится ему на пути — летная или нелетная. Если ему придется кружить, обходя циклоны, ему надо взять больший запас горючего.



Такие прогнозы, заглядывающие вперед всего лишь на несколько часов, оправдываются лучше всего — на 85—90 процентов.



Прогноз на сутки труднее. Ведь чем дальше стрелок от мишени, тем труднее ему попасть в ее центр.



И все же прогнозы на сутки оправдываются в восьмидесяти или даже в девяноста случаях из ста.



Еще труднее прогноз на месяц или на следующий сезон. Но и тут оправдываемость 65—75 процентов.



Что говорят эти цифры?



Цифры говорят, что синоптики иной раз ошибаются. И бывает, что эти ошибки недешево стоят стране.



Я мог бы вспомнить, как в 1941 году ленинградские долго-срочники предсказали, что 1 мая будет холодная погода, а краткосрочники сказали, что погода будет теплая.



Поверили краткосрочникам. Войска вышли на парад в летнем обмундировании. А холод был такой, что у людей зуб на зуб не попадал.



Какой же надо сделать вывод?



Не слушаться синоптиков?



Нет, слушаться.



Ведь они гораздо чаще дают правильные прогнозы, чем неправильные.



Но, конечно, надо стараться, чтобы .ошибок было как можно меньше.



Значит, у синоптиков впереди еще много работы. А где много работы, там нужно много работников.



Даже среди ученых, среди математиков, физиков встречаешь иногда людей, которые рады посмеяться над синоптиками: «А синоптики-то сегодня осрамились!»



Но не лучше ли было бы, если бы эти ученые помогли синоптикам реже ошибаться.



Ведь это дело важное для всех.

twitter.com facebook.com vkontakte.ru odnoklassniki.ru mail.ru ya.ru rutvit.ru myspace.com technorati.com digg.com friendfeed.com pikabu.ru blogger.com liveinternet.ru livejournal.ru memori.ru google.com bobrdobr.ru mister-wong.ru yahoo.com yandex.ru del.icio.us

Оставьте комментарий!

Не регистрировать/аноним

Используйте нормальные имена. Ваш комментарий будет опубликован после проверки.

Если вы уже зарегистрированы как комментатор или хотите зарегистрироваться, укажите пароль и свой действующий email.

(При регистрации на указанный адрес придет письмо с кодом активации и ссылкой на ваш персональный аккаунт, где вы сможете изменить свои данные, включая адрес сайта, ник, описание, контакты и т.д.)



grin LOL cheese smile wink smirk rolleyes confused surprised big surprise tongue laugh tongue rolleye tongue wink raspberry blank stare long face ohh grrr gulp oh oh downer red face sick shut eye hmmm mad angry zipper kiss shock cool smile cool smirk cool grin cool hmm cool mad cool cheese vampire snake excaim question

(обязательно)