Центр непрерывного образования

факультет компьютерных наук НИУ ВШЭ

Потребность предсказывать погоду возникла у людей еще на заре цивилизации, но возможным это стало совсем недавно — в эпоху промышленной революции, когда зародилась научная метеорология. Чем больше метеоданных накапливали ученые, тем точнее становились их прогнозы.

Но в XX веке информации стало так много, что люди перестали справляться с ней — и решили поручить эту работу машинам. Антон Басов @antonbasov, исследователь истории науки и техники, автор Центра непрерывного образования факультета компьютерных наук ВШЭ, рассказывает, как перфокарты помогали предсказывать погоду.

Антон Басов

Исследователь истории науки и техники, автор Центра непрерывного образования факультета компьютерных наук ВШЭ

Метеорологические наблюдения в современном смысле начались лишь в XVIII веке, когда появились такие приборы, как термометр и барометр. Тогда стали появляться метеостанции, сотрудники которых регулярно фиксировали информацию о состоянии атмосферы. Однако эти станции, отделенные друг от друга большими расстояниями, могли только накапливать сведения и время от времени публиковать их в ученых журналах.

Ситуацию изменило появление электрического телеграфа: теперь данные метеонаблюдений можно было собирать несколько раз в день. К середине века в Великобритании, Франции, США и других странах были созданы первые организации, занимавшиеся сбором и анализом метеорологических данных. Первые прогнозы погоды были предназначены для моряков — своевременное предсказание шторма спасало жизни и кораблей; а уже в 1861 году ежедневный прогноз начала публиковать лондонская Times.

Впрочем, первые предсказания часто оказывались неверными — метеорологам не хватало как практического опыта, так и теоретических знаний об атмосфере. Но наблюдения продолжались, и возрастающий объем информации позволял находить закономерности в непрерывной последовательности погодных явлений. К концу XIX века из них сложился синоптический метод прогноза погоды («синоптический» происходит из древнегреческого языка и означает «обозревающий все вместе»).

Сущность этого метода в следующем: на географическую карту наносят данные наблюдений разных метеостанций — атмосферное давление, скорость и направление ветра, температуру. Таким образом специалист-синоптик видит одновременно всю погоду определенной местности. Затем он изучает карту — например, соединяет точки, где атмосферное давление одинаковое, линиями-изобарами. Видя зоны высокого и низкого давления, циклоны и антициклоны, специалист может предсказать, в каких направлениях и с какой скоростью они будут двигаться, и, следовательно, как будет меняться погода.

Поначалу синоптики и не старались делать слишком точные предсказания. Метеоролог Павел Адамов вспоминал, как давала прогнозы погоды петербургская Главная физическая обсерватория в 1911 году:

Количество станций, подававших в ГФО сведения о погоде, было тогда сравнительно небольшим. Прогнозы носили общий характер, числовые характеристики… не применялись. Например, при характеристике температуры воздуха использовались термины: тепло, холодно, умеренно холодно, значительные морозы и так далее.

Чтобы делать достаточно точные прогнозы таким способом, синоптик должен обладать хорошей насмотренностью, то есть он должен изучить и составить множество карт, на которых отражены самые разные состояния атмосферы. Эти знания трудно формализовать и передать другому человеку; недаром метеорологи и тогда называли синоптический метод «субъективным». Впрочем, опытные специалисты достигали достаточно высокой — более шестидесяти процентов — точности прогнозов.

Но у роста объема метеонаблюдений была и обратная сторона — ученым не хватало времени изучать их. Создавалось все больше метеостанций, появлялись новые приборы и методы наблюдения — например, запуск шаров-зондов для изучения более высоких слоев атмосферы. Перестали быть эффективными старые методы, при котором вся работа по прогнозированию погоды выполнялась, как писал Адамов, «дневной сменой в составе двух специалистов-синоптиков… четырех техников и одного телеграфиста».

Первая попытка применить современные (тогда) информационные технологии в метеорологии была предпринята в США в 1895 году. Гидрографическое управление американского военно-морского флота тонуло в информации — ежедневно оно получало порядка 24 тысяч метеонаблюдений (три тысячи наблюдателей производили по восемь измерений в сутки). В порядке эксперимента управление использовало оборудование для обработки перфокарт, чтобы упорядочивать и сортировать метеоданные.

Всего за пять лет до этого, в 1890 году, изобретенное Германом Холлеритом оборудование было успешно применено для обработки данных переписи населения США. Метеорологи тоже были впечатлены «быстрой, точной и экономичной» системой Холлерита, но по окончании эксперимента вернулись к прежним методам — видимо, сказались несовершенство оборудования и нехватка финансирования.

В начале XX века благодаря различным усовершенствованиям перфорационные машины начали массово использоваться банками, страховыми компаниями и торговыми сетями. Такие организации и сегодня нуждаются в анализе огромного количества информации. Перфокарты здесь уже не справятся, а вот современные методы — легко. Если вы хотите узнать, как анализ данных используется в «Авито» и «Т-Банке», «Купере» и «Яндексе», посмотрите бесплатные лекции школы «IT-сеанс: погружение в мир данных» Центра непрерывного образования ФКН ВШЭ.

Так, нидерландский Метеорологический институт использовал 36 тысяч перфокарт, одолженных у англичан, для собственных вычислений. Взамен же Нидерланды предоставили Великобритании 15 тысяч карт со своими наблюдениями. В целом после 1930 года европейская метеорология использовала перфорационное оборудование на постоянной основе.

В 1934 году, спустя сорок лет после первого эксперимента, метеорологи США тоже начали использовать перфорационную технику. Несмотря на поздний старт, их работа быстро приняла истинно американский размах: уже в 1938 году был выпущен атлас климатических карт океанов. А в 1941 году появился метеорологический атлас для авиации, для издания которого на перфокарты были перенесены более 14 миллионов наблюдений.

Публикация атласов была профинансирована правительством США, которое боролось с Великой депрессией путем увеличения дефицита бюджета. О другом таком проекте — создании огромных математических таблиц — я рассказываю в статье о людях-вычислителях.

Советский Союз, отличавшийся огромной территорией и климатическим разнообразием, больше других стран нуждался в современных методах обработки метеорологической информации. Еще в 1930-х годах советские ученые начали планировать создание базы метеоданных на перфокартах; и в 1942 году был создан Центральный научно-исследовательский гидрометеорологический архив. 

Известный популяризатор науки М. Ильин (брат Самуила Маршака Илья) оставил подробное описание работы архива в первые годы в своей книге «Человек и стихия»:

С трех тысяч станций идут сюда таблицы. И все таблицы, полученные за год, превращаются в три миллиона карточек. Одну таблицу с пятью тысячами цифр заменяет 165 карточек…

Как же фабрика помогает синоптику? Предположим, он… составил сборную карту за прошлый месяц и хочет найти к этому месяцу рифму — «аналог» — примерно такой же месяц с «созвучным» расположением на карте циклонов и антициклонов.

… машина в несколько минут отбирает и выбрасывает все аналогичные карточки. Через четверть часа… синоптик уже получает отпечатанный на бланке ответ…

Уже в 1950-х годах перфорационные вычислительные машины широко использовались в научной работе. Как и их американские коллеги, советские метеорологи использовали перфокарты для изучения верхних слоев атмосферы, а также в области морской климатологии. Главным достижением этой эпохи стала подготовка в 1960–66 годах «Справочника по климату СССР». Благодаря накопленной базе данных удалось автоматизировать расчет многих характеристик: суточной амплитуды и межсуточной изменчивости температуры, повторяемости сочетаний скоростей и направлений ветра, число дней с осадками и их уровень.

Перфокарты в это время использовались не только метеорологами, но и ботаниками. О том, как британцы составили с их помощью самый точный ботанический атлас, я рассказываю здесь.

Тем временем в метеорологии полным ходом шла смена парадигмы: синоптический метод уступал место численному. Синоптический прогноз погоды был аналоговым — метеорологи искали аналогии между атмосферными явлениями; новый же метод предполагал цифровое решение гидродинамических уравнений, описывающих текущее и будущее состояние атмосферы.

Попытки вывести и решить «уравнения погоды» предпринимались с начала XX века: в 1904 году метеоролог Вильгельм Бьеркнес описал атмосферу с помощью системы уравнений Эйлера, а в 1922 году математик Льюис Фрай Ричардсон впервые попробовал предвычислить прогноз погоды, решив эти уравнения (на расчет шестичасового прогноза у Ричардсона ушло шесть недель — и он оказался ошибочным). Первый успешный метод численного прогнозирования предложил в 1940 году советский метеоролог Илья Кибель.

Полноценно численный метод стал применяться только после появления современных электронных вычислительных машин. В 1950 году компьютер ENIAC был впервые использован для составления прогноза погоды. Численный метод быстро приобрел ту же точность, что и синоптический, а затем превзошел его. Чем больше распространялись компьютеры, тем больше погоду предвычисляли, синоптический же метод постепенно отходил в прошлое.

Понятное дело, что уже существующие базы метеорологических данных идеально подходили для компьютерной обработки — ведь перфокарты тогда были основным способом ввода информации в компьютер. Поэтому данные продолжали хранить в таком виде до 1970-х годов, когда магнитные и оптические носители информации стали достаточно надежны, чтобы метеорологи могли не бояться потери своей бесценной информации. На тот момент Гидрометцентр СССР накопил более 250 миллионов перфокарт.

Всего век назад перфокарты впервые применили для обработки метеоданных — а сегодня для прогноза погоды используются спутники, большие данные и машинное обучение. Невероятная скорость развития информационных технологий позволила человеку заглянуть в будущее и сделать свою жизнь безопасней и комфортней.