Роман Вильфанд: вопрос использования "больших данных" обсуждается во всем метеорологическом мире

Всемирный метеорологический день ежегодно отмечается 23 марта. В России эта дата также является национальным Днем работников гидрометслужбы. Накануне профессионального праздника о разрабатываемой в Москве новой системе прогнозирования, экспериментах в области агрометеорологии и задачах для Российского метеорологического общества ТАСС рассказал директор Гидрометцентра РФ Роман Вильфанд.

— В Москве планируют создать новую систему краткосрочного прогнозирования. Роман Менделевич, расскажите, пожалуйста, какие прогнозы она позволит делать?

— Речь идет о прогнозе краткосрочном, сверхкраткосрочном и так называемом наукастинге — прогнозе текущей погоды. Краткосрочные прогнозы — это прогнозы на период до 72 часов. Сверхкраткосрочные — от 6 до 12 часов. А наукастинг — это прогнозирование элементов погоды на период от нескольких минут до примерно двух-трех, иногда до шести часов, которые чаще всего связаны с взрывной конвекцией. Конвекция — это процесс быстрого перемещения теплых насыщенных влагой воздушных масс от поверхности Земли в более высокие слои. При развитии таких процессов наблюдаются явления, которые представляют опасность для жизни человека, для функционирования отраслей экономики и т.д.

Атмосфера — хаотическая среда. Можно указать регионы, где создаются условия для возникновения смерча, например, но точно спрогнозировать его локализацию невозможно. Система наукастинга позволяет зафиксировать момент зарождения опасного явления и тогда спрогнозировать на два часа траекторию его перемещения, усиления или, наоборот, рассеивания энергии.

Чтобы прогнозировать такие события, нужно развивать научные исследования, чтобы физические процессы в атмосфере были адекватно описаны уравнениями гидродинамики, чтобы по ним можно было воспроизвести всю трансформацию воздушной массы, энергии, ветра, температуры и т.д. 

Кроме того, нужны очень хорошие начальные данные. Если мы хотим прогнозировать погоду на несколько ближайших часов, мы должны иметь очень густую сеть наблюдений. До сих пор этого не удавалось добиться. Теперь в рамках обсуждения Московской мэрии и Росгидромета удалось прийти к пониманию.

— А как технически будет выглядеть система?

— Предполагается, что сеть будет состоять, прежде всего, из десяти метеорологических локаторов с доплеровским эффектом, который позволяет "увидеть" состояние, в том числе завихренности атмосферы. Эти локаторы будут расположены примерно в радиусе 200 км от центра Москвы. Дальность видимости этих локаторов около 150 км. Поэтому можно ожидать, что если на удалении около 350 км зарождается опасное явление (смерч, шквал или очень сильный дождь), то его с помощью этих радаров можно будет диагностировать. Это очень важно, что уже на дальних подступах к Москве можно будет увидеть это явление.

Дальше предполагается создать еще одну эшелонированную наблюдательную систему с радиусом примерно 90 км от центра Москвы: сеть автоматических станций, расположенных на вышках операторов мобильной связи с шагом примерно 10–15 км друг от друга. На этих вышках будет так называемая система градиентных наблюдений. По высоте: один датчик примерно на высоте 5–10 м этой вышки, другой на высоте 20–30 м, третий — на 50–60 м. Они будут фиксировать изменения, которые происходят в приземном слое воздуха. Локатор так устроен, что не может "видеть" процессы, которые находятся ниже 200 м от поверхности земли.

Еще один аналогичный "редут" — в 40–50 км от центра Москвы. Затем на МКАДе. 

Примерно четыре десятка станций будут расположены в тех местах, где наблюдений мало. Сейчас наблюдательная сеть небольшая совсем, есть пробелы. Они будут заполнены.

Таким образом, предполагается, что количество станций увеличится примерно на полторы сотни.  Это очень много. 

— В чем особенность новой системы? 

— Можно будет, с одной стороны, моделировать перемещения опасных атмосферных явлений, а с другой стороны, наблюдать их, фиксировать, с третьей — оценивать точность прогнозов. А это очень важно. Когда на удалении сначала прогнозируешь, а затем при перемещении видишь, совпадают или не совпадают расчеты с фактом, можно изменить модель, увидеть, в чем ее несоответствие.

Кроме того, эту систему будут разрабатывать не "вообще", а конкретно для Москвы. Получив хороший результат (мы очень надеемся на это), можно будет транслировать этот опыт на другие города-миллионники.  

Конфигурация зданий, улиц, отражение солнечных лучей от крыш домов — все это влияет на атмосферные процессы в городе. В той или иной ситуации, скажем, когда воздушные массы перемещаются с севера или с юга, совершенно по-разному могут развиваться события: либо будет интенсификация опасных явлений, либо, наоборот, структура города будет препятствовать воздушному потоку, энергия будет рассеиваться.

В городе есть зоны больших парков, есть зоны заасфальтированные, где поглощение солнечных лучей происходит совершенно по-особому. Есть кустарники, деревья, в которых происходят свои процессы. Все эти многочисленные факторы нужно описать в модели.

Я встречался много раз с тем, что люди считают, что воздух нагревается от солнца. Это глубокое заблуждение. Солнечные лучи падают на подстилающую поверхность, нагревают землю, почву, и за счет турбулентности, за счет конвекции это тепло передается в атмосферу. В городе, где много зданий, не только подстилающая поверхность нагревается, но и стены домов. В том числе и изнутри. Создается дополнительная тепловая энергия, которая трансформируется в кинетическую энергию. Поэтому если наблюдаются условия для быстрого перемещения воздушных масс вверх, то в городе, как правило, этот процесс усугубляется. Нормальные процессы становятся опасными.

Мы предполагаем, что будет функционировать прогностическая модель с шагом менее 1 км. В результате интегрирования уравнения мы будем выпускать прогнозы с шагом в 1 км, но процессы, которые мы будем описывать, будут характерны для описания с масштабом 6–8 км. Это тоже очень здорово: в районе действия такой-то управы ожидается дождь, а где-нибудь в 10 км другая управа, там дождя не ожидается. Именно это и происходит в крупном городе. 

— Когда могут появиться первые прогнозы? 

— Самое раннее, оптимистично, в конце 2019 года. Нужно проводить вычислительные эксперименты, установить эти приборы — очень многое нужно сделать. С момента подписания договора два года должно пройти минимум. 

— Насколько заранее будут появляться такие предупреждения? 

— При такой технологии прогнозы будут выпускаться и за два-три дня, если процесс хорошо изучен. За 10–12 часов, если возникают условия для процессов, которые создают сложности для жизни жителей, для функционирования транспорта, строительства, высотных работ. Иногда за час-два прогнозы будут выпускаться. Тут ничего удивительного нет и не должно быть, потому что в условиях города создаются сложные условия, которые невозможно заранее просчитать. И только вот за час-два модель может показать, а синоптик проанализировать и понять, что возникает очень сложная ситуация. 

Средняя заблаговременность прогнозов торнадо в США составляет 19 минут. Это большой успех, потому что в начале 2000-х годов она составляла шесть минут. Нужно понимать, что каждая минута — это спасенные жизни. Невозможно спасти имущество, но сохранить человеческую жизнь — да, возможно. 

В атмосфере такие быстро развивающиеся процессы в ряде районов существуют и повторяются часто. К большому счастью, у нас не торнадоопасный регион. Но все-таки смерчи бывают. А шквалы? Ветер, превышающий 25 м/сек, который переворачивает, сносит рекламные щиты, остановки, плохо прикрепленные крыши. Предупреждение об этом позволяет сохранить жизни.

— Насколько хорошо вообще проработана такая система прогнозирования в мире? 

— Это одно из пионерских направлений. В Пекине некоторые расчеты ведутся, в Нью-Йорке. "Полнокровный" проект разработан и выполняется пока только в Шанхае. Здесь у нас будет не менее сильная, просто одна из пионерских, работ. 

Нужно обязательно отметить, что вся эта работа — и по развитию современной наблюдательной сети, и по созданию системы раннего предупреждения, — в изложении кажется стройной легкой, логичной. Мне бы не хотелось, чтобы создавалось такое ощущение. 

Предстоит очень напряженная работа с появлением вопросов, заранее неочевидных. Например, на этапе создания градиентных наблюдений могут возникнуть юридические проблемы. Разработка модели высокого разрешения требует наличия очень детального описания городской топографии в цифровом виде и многое другое. Понятно, что при выполнении пионерских работ могут возникать неожиданные преграды. Но эта многоаспектная работа настолько социально значима и настолько профессионально интересна, что она должна быть завершена за два года.

— Глава Росгидромета упоминал о планах по созданию новой системы для агрометеорологии. Можете рассказать о ней?

— Сейчас закупаются и устанавливаются специальные приборы для того, чтобы в разных районах большого поля сельскохозяйственного понять: влажность почвы одинаковая или нет? Каковы распределения температур в глубине? На одном и том же поле почвы имеют разный состав. Важно понять, насколько эффективны приборы, насколько репрезентативны данные для описания всего поля. 

Еще целый ряд аспектов возникает: существует спутниковая информация, которая дает полное покрытие по всему Земному шару, а мы используем только станции. Но спутниковая информация имеет погрешности, ошибки. Стоит задача калибровки спутниковой информации по этим натурным данным, чтобы, откалибровав, распространить ее на значительную территорию. Но эта калибровка не может быть выполнена раз и навсегда. При следующем пролете спутника над этой территорией ее нужно произвести снова. 

Кстати говоря, для нашей службы очень важны всевозможные схемы интерпретации спутниковой информации. Можно получить максимально полное представление о том, что происходит на полях: засушлива почва или нет, условия вегетации соответствую норме или не совсем, находится ли растение в подавленном состоянии, ну и т.д. Эти аспекты очень важны методически и в последующем для оценки урожая. 

— Можно ли использовать информацию, которую собирают метеорологи-любители, для "официальных" прогнозов? Не везде ведь сейчас хватает метеостанций. Решить эту задачу, например, в рамках Российского метеорологического общества, которое планируется создать?

— Формально ответить на первый вопрос легко. Для того чтобы вести наблюдения, человеку нужно получить лицензию. И все. На самом деле, я-то позитивно отношусь к людям, волонтерам, которые готовы вести наблюдения и передавать эту информацию. Но объективно для достоверного описания состояния атмосферы есть ряд сложностей.

Есть "большие данные", big data. Это очень актуальная проблема: у миллионов людей в гаджетах, есть устройства, где можно измерить температуру, давление. С какой степенью доверия относиться к этим данным? Наши-то данные постоянно проверяются. Это большой методический вопрос, который обсуждается во всем метеорологическом мире.

Для того чтобы использовать наблюдения, нужно, чтобы они велись методически правильно. Например, выставите термометр на солнечную сторону здания — вы зимой получите +20. Ошибка большая в наблюдениях влечет за собой большую ошибку в прогнозе.

Можно сфотографировать зарождение смерча в отдаленном районе, который не фиксировали. Если для смерча созданы условия, значит, в атмосфере существует сильная неустойчивость. Мгновенно все метеорологи должны насторожиться. Но вдруг снимки — фейк?

У нас страна огромная. Есть регионы, где в принципе нет наблюдений — нет людей. Есть труднодоступные станции: забрасывается группа на полгода, живет там, передает информацию. Это очень значимо. Но если наблюдения приходят от оленеводов или волонтера, работающего в золотодобывающей партии, как относиться к таким данным? С одной стороны, с благодарностью, с другой — с осторожностью.

Сейчас разрабатываются методы, как с помощью двойного, тройного контроля все-таки использовать эти данные.

Да, в рамках метеорологического общества, когда оно будет создано, я думаю, это будет один из действительно очень значимых вопросов, на который сейчас нет ответа. Но общество будет, конечно, решать гораздо больше проблем.

— Какие например?

— В принципе, идея такого общества витала в воздухе уже достаточно давно. С моей точки зрения, это очень хорошая, продуктивная идея. У нас сейчас метеорологи, синоптики — специальность редкая, даже "редкостная". Она разбросана по разным ведомствам, регионам. В общем-то, все они мало связаны.  

Общество позволит объединить всех людей, которые заинтересованы в развитии метеорологии. На самом деле, все люди в душе немножко метеорологи. Но, конечно же, предполагается, что это будет более-менее профессиональное сообщество. 

Общество сможет выработать позиции, которые необходимо реализовать государству либо социуму, понять, что нужно сделать, чтобы климатические исследования нашли значимое применение, чтобы химический состав воздуха определялся повсеместно, чтобы прогнозы стали лучше. Когда выступает Росгидромет и говорит, что необходимо развитие наблюдательной сети, финансирование того или другого направления, это же выступают все-таки люди государственные. И отношение к ним одно. А когда существует сообщество людей, у которых разные точки зрения, но которые в результате дискуссии, общения пришли к консенсусу, то это совершенно по-другому воспринимается органами исполнительной власти, структурами государства.

Кроме того, сообщество может корректировать и позиции тех людей, которые профессионально занимаются метеорологией. Почему не делается какая-то работа? Нужно доказать, обосновать, потому что разговор идет с профессионалами, людьми, имеющими образование соответствующее. В общем, это то, что сейчас принято называть "мягкой силой".

Таких обществ много за рубежом. Американское метеорологическое общество — очень уважаемая организация. Русское географическое общество как воспринимается? Это же действительно настоящая интеллектуальная мощь. Какие интересные задачи ставятся и решаются по изучению истории, по этнографии. Государство никогда бы не смогло организовать экспедиции в труднодоступные регионы. Общество решает задачу, находит спонсоров. Это здорово.

Беседовала Анастасия Носова