У природы есть плохая погода, и мы в Toshiba в этом не сомневаемся. Но эффективно прогнозировать ненастья человечество научилось совсем недавно, и путь к этим достижениям лежал через личные трагедии, мировые войны и «партизанские ливни». Проводим краткий экскурс в историю метеорологии, рассказываем, как появились метеорадары и почему новейший погодный суперкомпьютер назвали именем древнейшего бога.

На заре метеорологии: почему покончил c собой первый синоптик?

Недавно палеоклиматологи пришли к выводу, что древнее Аккадское государство (существовало оно около 4 тыс. лет назад) пришло в упадок из-за усиления в Месопотамии сезонных пылевых бурь (так называемых «шамалов»), нарушивших сельское хозяйство. И уже тогда человечество пыталось следить за погодой и предсказывать её. Но получалось не очень — бедные аккадцы.

Прорыв наступил только в XIX веке, ведь первый секрет успешного прогноза — наблюдение за погодой из разных географических точек одновременно. Впервые это стало возможным с появлением нового средства связи — телеграфа, который помог построить первую метеорологическую службу, которая не только наблюдала за погодой, но и предсказывала её (как умела). Речь о Департаменте метеорологии при британском правительстве. Его создателем в 1854 году стал офицер ВМФ Великобритании Роберт Фицрой, капитан корабля «Бигль», на котором Чарльз Дарвин совершил знаменитое кругосветное путешествие. За свою долгую карьеру Фицрой задокументировал огромное количество погодных наблюдений. Правда, деятельность нового органа ограничилась созданием карты ветров для капитанов флота, которую прогнозом, конечно, назвать было нельзя.

25 октября 1859 года у берегов Англии потерпело крушение пассажирское судно «Роял Чартер». Внезапный мощный шторм разбил его о скалы у западного побережья Англии, в результате чего погибли 456 человек. Крушение «Роял Чартер» в родных водах поразило Фицроя (интересно, как бы он отреагировал на историю «Титаника» спустя полвека). Глава Департамента метеорологии распорядился создать сеть из 24 метеостанций в крупных портах Англии, Дании, Голландии и Франции для предупреждения штормов. Помог в этом Фицрою недавно изобретённый телеграф, который передавал в штаб-квартиру погодные данные морзянкой.

Помимо этого, Фицрой приказал установить на всех кораблях королевского флота штормглассы — герметично запаянные колбы со смесью из воды, этанола, нитрата калия, хлорида аммония и камфоры. Жидкость в этом приборе реагирует на изменение погоды, к примеру, помутнение предвещает дождь, а прозрачность — ясную погоду.


Судя по высоко поднявшимся большим кристаллам, этот штормгласс обещает сильный мороз и стужу. Впрочем, дальнейший технический прогресс в метеорологии выбросил этот прибор на свалку истории, даже не оставив учёным времени на изучение принципа его действия. Источник: ReneBNRW / Wikimedia Commons

Вооружившись термометрами, барометрами, штормглассами, многолетней «биг датой» наблюдений, а также показаниями сети метеостанций, Роберт Фицрой начал публиковать прогнозы погоды на 1-2 дня вперёд. Первый такой прогноз появился в The Times в 1861 году.


Прогноз погоды на 1 августа 1861 года. В Лондоне ожидалась ясная погода, умеренный юго-западный ветер и 17 градусов тепла. Сбылся ли прогноз, мы не знаем. Источник: Official blog of the Met Office News Team

Первый синоптик быстро нажил себе врагов. Учёные критиковали его методы. Британская пресса смаковала неудачи. Владельцы рыболовного бизнеса готовились предъявить счёт за убытки, ведь рыбаки часто отказывались выходить в море, получая прогноз плохой погоды от Фицроя. К 1865 году уже немолодой контр-адмирал синоптик впал в депрессию, растратив почти все своё состояние на метеорологические исследования, и 30 апреля наложил на себя руки.

Прогнозы Фицроя не могли быть точными: метеостанций было мало, обработка данных велась вручную, а экстраполяция старых погодных наблюдений часто подводила. Но главным слабым местом его практики были погодные замеры на основе косвенных данных (температура, давление), тогда как для успешного прогноза необходимо непосредственное наблюдение за передвижением воздушных масс.

Прошёл ещё век, прежде чем человечество научилось этому. Как в случае со многими другими техническими решениями XX столетия, прогрессу помогла гонка вооружений.

На погодном фронте: как военные научились предсказывать погоду?

В 1904 году 22-летний германский инженер Кристиан Хюльсмайер презентовал в Кёльне загадочный прибор, который назывался «телемобилоскопом» (Telemobiloskop). Каждый раз, когда на определённом участке протекающего неподалёку Рейна проходил корабль, телемобилоскоп издавал звон. Этот прибор состоял из искрового радиопередатчика, подключённого к множеству антенн. Телемобилоскоп улавливал отражённые от крупных металлических объектов (кораблей) электромагнитные волны. Однако присутствовавшие на презентации представили ВМФ Германии тогда аппарат не оценили.

И очень зря, потому что уже в 1930-е гг. ученые США, Великобритании, Германии, Франции, СССР, Японии, Италии и Нидерландов практически одновременно начали разработку похожих приборов, основанных на трансляции радиосигналов и улавливании отраженного от различных объектов эха. Призваны они были выявлять на дальних дистанциях движение самолетов и кораблей потенциального противника. Принцип работы этих передатчиков был положен в основу и метеорадаров, работающих до сегодняшнего дня.

Антенна излучает радиоволны сверхвысокочастотного диапазона в виде кратковременных импульсов большой мощности. Излучение фокусируется в узкий радиолуч. Когда импульс наталкивается на своём пути на препятствие, часть его энергии рассеивается в том числе и по направлению к приёмнику, который обычно работает рядом с передатчиком на одной антенне. Радиоэхо слабее отправленного импульса и возвращается с задержкой. Разность в мощности и скорости этих импульсов и позволяет определить положение в пространстве, скорость, плотность и другие физические параметры препятствия, например, самолёта или грозового облака.

К началу Второй Мировой войны такие системы были созданы, и одна из них (американская) дала миру новое слово «радар» (образовано от аббревиатуры RADAR, Radio Detection And Ranging).

В 1941 году английские операторы впервые наблюдали на индикаторе радара засвеченные участки от ливневых осадков. Позже военные обратили внимание на радиошум, который исходил от туч, снегопадов и града. Эти данные начали использовать для уточнения погоды и координации лётчиков и моряков. А после войны часть военных радаров передали метеорологам для наблюдения за погодой. К примеру, в США военно-морские силы перестроили радар AN/APS-2, ранее использовавшийся для поиска германских подводных лодок, и отдали его в Бюро погоды США в 1946 году под названием WSR-1 (Weather Surveillance Radar).


Таким увидели американские метеорологи торнадо с помощью погодного радара WSR-3, а Hook Echo — это название наблюдаемого на радаре облачного образования, похожего на торнадо (hook по-английски — «петля»). Источник: Wikimedia Commons

В послевоенный период принцип работы погодных радаров уже не менялся, но усложнялось их устройство — для получения более точных данных о размере и количестве осадков, их распределении в атмосфере, скорости и направлении передвижения. Однако климат на планете постепенно меняется, и в некоторых регионах усиливаются самые разные разрушительные погодные явления, требующие новых методов прогнозирования.

Что такое «партизанские ураганы» и почему обычные радары с ними не справляются?

Многие знают о непростой сейсмической ситуации в Японии, но мало кто слышал о частых для этих мест так называемых «партизанских» ураганах или штормах (guerrilla rainstorm) — в силу своего прибрежного положения от них часто страдает Токио. При столкновении влажного океанического воздуха с нагретыми в плотно застроенном городе воздушными массами образуются огромные кучевые облака. Процесс их формирования происходит очень быстро, а ещё быстрее за ним следует мощный ливень, провоцирующий наводнения и подтопления, иногда с человеческими жертвами. Именно поэтому такие ураганы назвали «партизанскими» — их удар всегда неожиданный.

Для прогнозирования таких явлений два основных типа традиционных метеорадаров — многопараметрические и с фазированной антенной решёткой — не подходят.

Многопараметрические метеорологические радары имеют двойную поляризацию, то есть они могут одновременно передавать и принимать горизонтально и вертикально поляризованные волны. Это позволяет им эффективно отслеживать количество осадков вплоть до размеров капель дождя. Однако у такого радара есть и недостатки: его параболическая антенна (в форме тарелки) может передавать и принимать электромагнитные волны только в том направлении, к которому она обращена. Сигнал имеет форму тонкого луча, поэтому чтобы вычислить распределение осадков, нужно, словно прожектор, повернуть антенну вверх, а затем постепенно наклонять её к земле. Для наблюдения за распределением осадков вблизи уровня земли может потребоваться от одной до пяти минут, а для замера осадков в трёхмерном проекции более — пяти минут. Именно это не даёт быстро «вычислить» кучевую тучу, в которой прячется «партизанский ливень».


Первый вид радара излучает более мощный сигнал, а второй — более рассеянный. Источник: Toshiba Clip

В отличие от многопараметрических радаров, погодные радары с фазированной решёткой представляют собой плоские антенны, как правило, квадратной или многоугольной формы. Точнее говоря, они состоят из множества маленьких антенн, размещённых на плоскости (нечто похожее на фасеточный глаз насекомого). Его структура позволяет мгновенно изменять направление волн без необходимости перемещать антенну вверх или вниз. Этот вид радара позволяет излучать и принимать волны (от земли до уровня неба) практически непрерывно. Но его слабое место — вычисление количества осадков, ведь их сигнал более рассеянный.

Если многопараметрический радар хорошо замеряет количество осадков, то радар с фазированной решёткой лучше справляется с построением картины их распределения. Но чтобы обнаруживать «партизанский ураган» нужно было соединить эти два радара в одном.

Ужа с ежом: как в Toshiba соединили круг и квадрат?

Инженеры Toshiba в составе исследовательской группы Совета по науке, технологии и инновациям при правительстве Японии создали первый в мире многопараметрический радар с фазированной решёткой, то есть объединили два традиционных типа радаров в одно устройство. Оно имеет двойную поляризацию и может формировать пучок сигналов одновременно в десять направлений. Благодаря этому, такой радар способен всего за 30 секунд отыскать «партизанскую тучу» в радиусе 60 км (и за минуту — в радиусе 80 км).


Первый многопараметрический метеорологический радиолокатор с фазированной решёткой разместился на крыше Университета Саитама в декабре 2017 года. Источник: Toshiba Clip

Максимальная дальность охвата в 80 км позволяет одному радару контролировать погодную обстановку практически над всем столичным районом Токио. К примеру, во время проведения Летних Олимпийских игр 2020 года радары смогут предупреждать о «партизанских ливнях» и помогать городским властям координировать передвижение туристов и горожан в случае неблагоприятной погоды.

Впоследствии в Японии может быть создана сеть из новых метеорадаров, которые покроют всю территорию страны. Однако чем больше инструментов исследования погоды, тем сложнее обрабатывать и интерпретировать получаемую информацию. Поэтому в будущем человечеству необходимо решить проблему создания глобальной системы контроля за погодными условиями на основе суперкомпьютеров. Похоже, прорыв в этой области подготовили наши коллеги из IBM.

Бог ясного дня: как будет предсказывать погоду новый суперкомпьютер?

В ноябре 2019 года компания IBM объявила о разработке глобальной системы высокоточного погодного прогнозирования GRAF (Global High-Resolution Atmospheric Forecasting System). Её основу составит суперкомпьютер DYEUS, построенный специально для управления виртуальной моделью глобальной погоды. Кстати, имя DYEUS («Дьеус») неслучайно — так звали верховного бога праиндоевропейского пантеона, который отвечал за ясное небо над головами наших предков 3-5 тыс. лет назад.

В DYEUS используются процессор Power9, которые также работает в самом мощном суперкомпьютере мира Summit. Источник: YouTube-канал Weather Co.

Источниками информации для компьютера станут не только метеорадары, зонды и спутники, но даже сенсоры на борту авиалайнеров и смартфоны по всему миру. Последние смогут передавать данные о температуре и давлении (с разрешения пользователей, конечно). GRAF сможет детализировать погодную обстановку для местностей размером 3-4 км в ширину вместо 10-12 км, а обновления прогноза будут поступать каждый час вместо обычных 6-12 часов. Кстати, приложение с прогнозами GRAF — The Weather Channel — уже можно скачать на смартфон