Обмен данными ВМО — предпосылки, история и влияние
- Author(s):
- Ларс-Питер Риишойгаард, Джон Зиллман, Адриан Симмонс, Джон Эйр
Несмотря на то, что повседневное восприятие погоды большей частью определяется её воздействием на местах, погода и климат имеют поистине глобальный характер. Часто говорят, что погода и климат не знают границ, и любой наблюдатель быстро поймёт, что погодные системы развиваются и перемещаются по планете независимо от политических границ. Влияние этого основополагающего факта на то, как мы следим за погодой и как пытаемся понять и предсказать её, является весьма существенным.
Научная и практическая деятельность в области метеорологии основана на понимании того, что, если мы можем описать текущее состояние атмосферы и подстилающей поверхности и знаем физические законы, которые регулируют их поведение, мы можем, в принципе, предсказывать будущую погоду и климат таким образом, чтобы можно было внести полезный вклад в обеспечение безопасности и благосостояния человека. Уже почти 200 лет мы знаем, что если мы можем наблюдать за текущим состоянием атмосферы над территорией нашей страны, то мы можем с определённой долей успешности предсказать местную погоду на несколько часов или, возможно, на день вперёд. Уже почти 100 лет мы знаем, что для прогнозирования будущей погоды на срок более нескольких дней в любой стране необходимо иметь доступ к атмосферным данным из любой точки земного шара. Поскольку атмосфера не имеет географических границ, только при комплексном рассмотрении её можно всесторонне понять, а в наше время и воспроизвести, используя математические модели. Поэтому современное прогнозирование погоды или климата осуществляется на основе международной координации и глобальной инфраструктуры, без которых оно было бы невозможным.
По мере развития нашего понимания метеорологии и науки о системе Земля на протяжении восемнадцатого, девятнадцатого и двадцатого веков росло и понимание необходимости доступа всех стран к глобальным данным и надёжным системам сбора данных наблюдений. Сбор этих данных начался с изобретения термометра и барометра в семнадцатом веке и постоянно развивался технологически, что привело к появлению современных жизненно важных решений космического базирования. История обмена данными ВМО — это замечательная история научных концепций, технологического развития и предоставления обслуживания, а главное — уникальной системы сотрудничества между институтами, научными дисциплинами и национальными правительствами ради общего блага.
История обмена данными
Рисунок 1. Двенадцатый Всемирный метеорологический конгресс, 1995 год (слева направо): А.С. Зайцев, помощник Генерального секретаря, Дж.У. Зиллман, первый вице-президент, Цзоу Цзинмэм, президент, профессор Г.О.П. Обаси, Генеральный секретарь и М. Жарро, заместитель Генерального секретаря (ВМО/Бьянко) |
История международного обмена метеорологическими данными восходит к основам гумбольдтовской науки начала девятнадцатого века (Wulf, 2015), ориентированному на прикладные задачи по обмену данными, унаследованному от Брюссельской конференции 1853 года (Maury, 1855), и появлению в 1873 году Международной метеорологической организации (МMO), предшественницы ВМО. ММО создала высокоэффективную международную структуру, позволяющую всем странам получать данные наблюдений из других стран и с морских судов для проведения исследований и предоставления метеорологического и климатического обслуживания своему населению.
Необходимость укрепления и расширения международного обмена данными как для научных исследований, так и для практического применения имела решающее значение для замены неправительственной ММО на межправительственную ВМО. Обмен данными был определён в качестве одной из основных целей ВМО в Конвенции 1947 года. Новая структура ВМО была усилена в течение первых двух десятилетий с помощью специальных систем сбора данных, созданных для Международного геофизического года в 1957 году, а затем усиление было более масштабным благодаря вводу в действие Всемирной службы погоды (Davies, 1990) и Программы исследований глобальных атмосферных процессов (ПИГАП).
Ввод в действие в 1970-х годах Всемирной службы погоды и ПИГАП позволил национальным метеорологическим службам (НМС) значительно усилить сбор данных и обмен данными, исследования, моделирование и прогнозирование. Это позволило им поддерживать широкий спектр метеорологического обслуживания, предоставляемого государственным и частным секторами, путём обеспечения широкомасштабных национальных экономических и социальных выгод. Однако с появлением тенденции в 1980-х годах к приватизации государственного обслуживания, ранее предоставляемого в качестве общественного блага, в ряде стран усилилось давление с целью коммерциализации государственного метеорологического обслуживания, предоставляемого НМС. Это привело к конкуренции с частным сектором, напряжённости между ранее сотрудничавшими НМС и взиманию платы за доступ к данным, которыми ранее свободно обменивались для проведения исследований.
Проблема коммерциализации возникла в международном метеорологическом сообществе в конце 1980-х – начале 1990-х годов. Несмотря на все усилия Исполнительного совета ВМО, Всемирный метеорологический конгресс 1995 года столкнулся с перспективой полного развала международного обмена данными и глобальной войны из-за метеорологических данных (ВМО, 2019). Делегации разделились на тех, кто считал, что без свободного обмена данными международное метеорологическое сотрудничество рухнет, и тех, кто считал, что коммерциализация данных желательна (или неизбежна) и что необходимо выработать новый режим международного обмена данными. После долгих и трудных переговоров Члены ВМО пришли к консенсусу, что традиционная политика и практика «свободного и неограниченного международного обмена метеорологическими и связанными с ними данными и продукцией» приносит слишком большую пользу на глобальном уровне и является слишком важной, чтобы подвергать её риску. Конгресс единогласно принял резолюцию 40, утвердив свободный обмен «основными» данными в качестве «фундаментального принципа» ВМО (рисунок 1).
Реализовать резолюцию 40 оказалось непросто для ВМО и многих отдельных стран, и вскоре стало ясно, что она не полностью охватывает многие аспекты обмена данными. Это касается нескольких категорий «дополнительных» данных, необходимых для прогнозирования погоды на национальном уровне, гидрологических и океанографических данных, а также многих типов данных, необходимых для климатических целей. Со временем вопросы обмена гидрологическими данными были рассмотрены в резолюции 25 конгресса 1999 года, океанографическими данными — на Ассамблее Межправительственной океанографической комиссии 2003 года, а климатологическими данными — в более поздней резолюции 60 ВМО. Но, хотя резолюция 40 восстановила и укрепила глобальную приверженность свободному и неограниченному международному обмену «метеорологическими и связанными с ними данными», она оставила сообщество ВМО с растущим осознанием необходимости более надёжной и унифицированной политической рамочной основы для международного обмена всеми данными о системе Земля. Истоки и ранняя история системы обмена данными ВМО, а также переговоры и влияние резолюции 40 кратко изложены в Zillman (2019, 2021) и WMO (2019).
Возникновение и распространение глобального численного прогнозирования погоды
Основные принципы численного прогнозирования погоды (ЧПП) были сформулированы Вильгельмом Бьёркнесом (1904 год), который определил необходимость применения динамико-физических методов для решения фундаментальных задач определения начального состояния атмосферы и эволюции атмосферы от одного состояния к другому. Его работа оказала значительное влияние на замечательное исследование Льюиса Фрая Ричардсона (1922 год), который подробно описал полный набор основных уравнений и численный процесс их решения. Схема Ричардсона была «сложной, потому что атмосфера сложная», и в то время она была далеко за рамками практического применения.
Появление электронных компьютеров в 1940-х годах впервые позволило решить гораздо более простое уравнение в численном выражении (Charney et al., 1950) и со временем вырабатывать решения быстрее, чем будет развиваться фактическая погода — необходимое условие для применения ЧПП в оперативном прогнозировании. Вначале прогресс шёл медленно. Только в 1970-х годах системы ЧПП смогли последовательно и убедительно превзойти прогнозистов.
Оперативное глобальное ЧПП началось 18 сентября 1974 года в Соединённых Штатах Америки (США) (Dey, 1989). Это стало возможным благодаря международному обмену данными наземных систем наблюдения Всемирной службы погоды и наличию данных с американских спутников: данных глобального зондирования температуры с полярной орбиты и данных о региональных ветрах на основе оценок, полученных в ходе слежения за облаками с геостационарной орбиты. ЧПП опиралось на предшествующее развитие глобального атмосферного моделирования и метод анализа данных наблюдений для создания начальных условий, необходимых для прогностической модели. Ещё одним благоприятным фактором стало увеличение вычислительных мощностей.
Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП) был создан в 1970-х годах в знак признания потенциальных преимуществ общего вычислительного ресурса и объединённых научных знаний. ЕЦСПП стал вторым центром, предоставляющим оперативные глобальные прогнозы, 1 августа 1979 года. В 1982 году за ним последовали Метеорологическое бюро Соединённого Королевства и ВМС США. Сегодня ВМО имеет девять назначенных региональных специализированных метеорологических центров (РСМЦ) для глобального детерминистского ЧПП в рамках Глобальной системы обработки данных и прогнозирования (ГСОДП). ГСОДП координирует подготовку полей метеорологического анализа и прогноза и делает их доступными во всём мире. В последние десятилетия РСМЦ значительно расширили количество и качество предоставляемой продукции, позволяя всем, кто предоставляет данные наблюдений, получать пользу от анализов и прогнозов, сделанных на основе предоставленных данных наблюдений.
Продукция глобального прогнозирования, доступная из нескольких источников и для нескольких начальных моментов времени, имеет важное значение для того, чтобы показать неопределённость прогнозов и возможных экстремальных условий. Эта продукция дополнена обширной вероятностной информацией, полученной от глобальных систем ансамблевого прогнозирования. Она дополняет единственный «детерминистский» прогноз набором прогнозов, как правило с более низким разрешением, в которые вносится возмущение для учёта неопределённостей в начальных условиях и физических процессах в модели прогноза. Ансамблевое прогнозирование было впервые введено в практику в Европе и США в декабре 1992 года. Восемь из девяти РСМЦ, назначенных для глобального детерминистского ЧПП, также назначены в качестве РСМЦ для глобального ансамблевого ЧПП.
Системы ЧПП для ограниченного района, используемые во многих странах, также получают пользу от глобального обмена данными. Несмотря на то, что для этих систем требуются данные наблюдений только из тех районов, которые они охватывают, для обеспечения заблаговременности прогноза нужны определённые значения на границах района. Эти граничные значения обычно предоставляются глобальными системами.
Эволюция глобальной системы наблюдений
За последние примерно 75 лет системы наблюдений претерпели значительные изменения. Аэрологические измерения с помощью сети радиозондов, разработанной в 1940-х и 1950-х годах, стали важным дополнением к уже существующим приземным наблюдениям с наземных станций и судов. Наблюдения с самолётов стали доступны в большом количестве в 1970-х годах, а размещение значительного количества дрейфующих океанических буёв началось в 1979 году. Качество многих из этих видов наблюдений впоследствии улучшилось благодаря более совершенным приборам, и сегодня они доступны в гораздо большем количестве, в основном благодаря повышению уровня автоматизации, а также готовности и возможности Членов ВМО передавать их в глобальном масштабе.
Первые спутниковые изображения синоптических ситуаций были получены в 1960-х годах, но ключевые достижения в области спутниковых наблюдений для ЧПП имели место в 1970-х годах. Оперативные измерения чувствительных к температуре и влажности излучений начались в конце 1972 года. Позднее в этом десятилетии были усовершенствованы измерения излучения с полярной орбиты и оценки ветра с геостационарной орбиты. С тех пор десятилетие за десятилетием увеличивалось число спутников на орбитах вследствие увеличения числа спутниковых операторов, совершенствовались приборы и увеличивалось количество видов измерений. Сегодня атмосферный компонент системы прогнозирования ЕЦСПП обрабатывает данные, получаемые примерно от 90 спутниковых приборов.
Более того, измерения in situ и из космоса в настоящее время регулярно используются для определения начальных условий для океанических моделей, которые объединяются с атмосферными моделями для прогнозирования во всё большем диапазоне временных масштабов. Более высокий уровень представления компонентов в моделях прогноза поверхности земли, включая гидрологические аспекты, и в моделях состава атмосферы ещё больше расширяет потребности в данных наблюдений и их международном обмене, но также предоставляет возможности для обмена более широким набором производной информационной продукции.
|
Использование данных наблюдений и улучшение прогнозов
Многие данные наблюдений используются многократно. Центры прогнозирования используют их для инициализации нескольких типов прогнозов, для оценки качества прогнозов, для калибровки продукции, а также для разработки и тестирования улучшений в системах прогнозирования. Это включает как прямое использование данных наблюдений, так и использование анализов или реанализов на основе этих данных.
На рисунке 2 показано улучшение с течением времени прогнозов ЕЦССП на три, пять и семь дней вперёд. В верхней части уточнён и обновлён рисунок, впервые опубликованный Симмонсом и Холлингсвортом (2002 год). На нём показано, что оперативные прогнозы для Южного полушария в среднем были значительно хуже, чем для Северного полушария до начала 1980-х годов, затем последовал период продолжительностью 20 лет, в течение которого улучшение прогнозов в Южном полушарии было более значительным, а с 2000-х годов улучшение прогнозов в обоих полушариях идёт параллельно.
В нижней части приведены показатели, начиная с 1950 года, для прогнозов, сделанных на основе реанализов ERA5 (Hersbach et al., 2020; подробнее о реанализе см. статью 5). В данном случае результаты представлены для Европы и Австралии/Новой Зеландии, поскольку наличие данных радиозондирования делает проверочные анализы (также взятые из ERA5) более надёжными для этих регионов, чем для полушарий в целом, особенно в доспутниковый период. В нижней части показано, что прогнозы ERA5 по двум регионам были в основном одинаковыми по качеству, начиная с 1979 года. Тем не менее начиная с 1979 года наблюдалось довольно стабильное улучшение прогнозов ERA5 благодаря повышению доступности и качества данных наблюдений. Более эффективное использование данных наблюдений и более совершенное моделирование стали основными причинами улучшения оперативных показателей в 1980-х и 1990-х годах. В Южном полушарии около 2000 года прогресс был немного более заметен, чем в Северном, что говорит о большем влиянии новых спутниковых приборов, введённых в эксплуатацию в то время.
Весьма значительное улучшение прогнозов ERA5 для Австралии и Новой Зеландии в 1979 году было связано с развитием систем наблюдения как космических, так и in situ, которые были созданы для Глобального погодного эксперимента ПИГАП в 1979 году и поддерживались в дальнейшем. Улучшения, обусловленные изменениями в системах наблюдений в 1960-х и 1970-х годах, также очевидны для этого региона. Прогнозы для Европы до 1979 года в целом были ближе по качеству к прогнозам, сделанным в более поздние годы; но в 1950-х годах, когда расширение охвата радиозондированием предусматривало завершение формирования сетей океанских судов погоды, и в 1970-х годах, когда за первыми оперативными зондированиями из космоса последовало усовершенствование системы наблюдений в рамках ПИГАП, имело место улучшение.
Прогнозирование для тропиков представляет больше трудностей, чем для внетропической зоны. Приближения, используемые в ЧПП, были разработаны для погоды в средних широтах, и применение некоторых из них для тропиков вызывает вопросы. Кроме того, явления, происходящие в пространственных масштабах, меньшие, чем те, с которыми позволяет работать разрешение модели, играют гораздо более существенную роль в тропиках, чем в умеренных широтах. В большинстве тропических районов, особенно в развивающихся странах, охват данными наблюдений, особенно аэрологических наблюдений in situ, является недостаточным. Недостаток аэрологических наблюдений является серьёзной проблемой — относительно небольшое количество наблюдений радиозондов, которые доступны в тропиках, оказывают непропорционально большое влияние на качество ЧПП, и это указывает на то, что система недостаточно обеспечена этими данными. Недостаток наземных наблюдений серьёзно ограничивает возможности для проверки качества фактического прогноза погоды в сравнении с качеством выходной продукции ЧПП.
Тем не менее есть и успешные примеры. Главным примером является улучшение прогнозов тропических циклонов и эффективность последующих действий, предпринимаемых для защиты жизни людей и ограничения материального ущерба. Официальные прогнозы Национального центра по ураганам США, например, регулярно опираются на продукцию пяти различных глобальных центров прогнозирования погоды (три из них не в США) и трёх региональных систем. За последние тридцать лет прогнозы траектории движения циклонов для Атлантического бассейна (рисунок 3) значительно улучшились. За тот же период произошли явные, хотя и более скромные, улучшения в прогнозах интенсивности циклонов.
|
| Рисунок 3. Среднегодовая ошибка в положении (км) в официальных прогнозах Национального центра по ураганам США для Атлантического бассейна с 1990 по 2020 год (взято из Cangialosi, 2021) |
Наблюдения для анализа климата и осуществления ГСНК
|
|
Рисунок 4. Средние за десятилетия оценки глобальной средней приземной температуры по данным шести комплектов данных, выраженные в виде изменения на протяжении индустриальной эпохи. Для двух наборов данных (ERA5 и JRA-55) используется анализ синоптических данных о приземной температуре воздуха; для остальных четырёх используется анализ среднемесячных данных со станций. Более подробная информация доступна по ссылке. |
Данные наблюдений, используемые для ЧПП, также используются для мониторинга, понимания, моделирования и прогнозирования климата. В целом для климатических применений нужны более комплексные наблюдения за системой Земля, и существует широкий спектр институциональных механизмов для проведения и обработки этих наблюдений. Комплексная Глобальная система наблюдений за климатом (ГСНК) была официально создана в 1992 году как международная, межведомственная, междисциплинарная структура с целью обеспечения доступности всеобъемлющей информации о всей климатической системе (Houghton et al., 2012). ГСНК определила перечень важнейших климатических переменных (ECVs; Bojinski et al., 2014), которые необходимы для характеристики климатической системы и её изменений и наблюдение за которыми технически осуществимо и доступно по затратам и опирается большей частью на скоординированные системы наблюдений с использованием проверенных технологий. Следовательно, там, где это возможно, можно воспользоваться комплектами исторических данных. Также ГСНК регулярно проводит оценку состояния глобальных климатических наблюдений и потребностей в их проведении и представляет отчёты ВМО и другим своим спонсорам1, а также Сторонам Рамочной конвенции ООН об изменении климата.
Международный обмен данными для климатических применений необходим как для исторических, так и для текущих наблюдений. Различные факторы могут обусловливать тот факт, что некоторые из последних данных наблюдений и продукции доступны только с задержкой. Это касается ежемесячных сводок климатологических данных (CLIMAT) со станций наблюдений, которые важны для продолжения ряда данных об изменении температуры, ведущихся с девятнадцатого века. Однако при этом своевременные метеорологические и связанные с ними данные, предназначенные для прогнозирования погоды, также используются максимум в течение нескольких дней для расширения многоцелевых реанализов. Эти реанализы обеспечивают, например, оперативное обновление ряда температурных данных, построенного на основе ежемесячных данных станций (и наблюдений за температурой моря) за предыдущие десятилетия (рисунок 4). Помимо того, что реанализы предоставляют гораздо более полный комплект ежемесячных данных об изменчивости и изменении, они дополняют ежедневные данные станций в плане определения и описания экстремальных явлений, на информацию о которых существует большой и неотложный спрос со стороны общественности, особенно на информацию, касающуюся роли изменения климата. Обмен информационной продукцией, полученной в результате реанализа (см. статью 5), стал более открытым за годы, прошедшие с начала этой деятельности в 1990-х годах, обеспечивая дополнительные преимущества тем, кто предоставляет данные наблюдений, на которых основана эта продукция.
Проектирование сетей наблюдений
Начиная с 1995 года ВМО установила процедуру регулярного обзора потребностей (РОП) в отношении наблюдений:
- Потребности в наблюдениях оцениваются для каждой из 14 (на данный момент) прикладных областей, охватывающих весь спектр деятельности ВМО.
- Также оцениваются возможности существующих и планируемых наземных и космических систем наблюдений.
- Осуществляется сравнение потребностей и возможностей, выявляются текущие или прогнозируемые пробелы в имеющихся возможностях.
- На основе анализа пробелов разрабатывается концепция системы наблюдений, а также план мероприятий по реализации этой концепции.
Процедура РОП в значительной степени опирается на опыт как экспертов по применениям, так и экспертов по технологиям.
С самого начала процедура РОП была направлена на то, чтобы вовлечь все области, охваченные программами ВМО, однако прогресс в одних областях был более быстрым, чем в других. Тесные связи с ГСНК обеспечили, чтобы потребности в отношении мониторинга климата всегда были представлены должным образом. Однако основной областью применения, определяющей процедуру РОП, с самого начала было глобальное ЧПП. Сообщество ЧПП уже работало весьма слаженно, и его потребности в наблюдениях были достаточно хорошо понятны. Начиная с 1990-х годов это сообщество эффективно формулировало свои потребности в отношении быстро расширяющегося спектра спутниковых данных, первоначально путём координации между центрами ЧПП в Европе и Северной Америке и соответствующими космическими агентствами. Это переросло в координацию между всеми основными глобальными центрами ЧПП и космическими агентствами под эгидой форума «Глобальный обмен данными наблюдений (ГОДН)» при участии Секретариата ВМО.
Координация обмена данными наземных наблюдений оказалась более сложной. Отчасти это объясняется большим количеством участвующих организаций — 193 Члена ВМО по сравнению с небольшим количеством космических агентств — и отчасти отсутствием сильного и хорошо организованного лобби, поддерживающего эти системы наблюдений. Во многих частях мира, особенно в развивающихся странах, охват данными наблюдений за последние 20 лет уменьшился, несмотря на то, что потребности в этих данных по-прежнему имеют весьма серьёзную поддержку. В значительной степени под влиянием РОП ВМО в настоящее время предпринимает действия по реализации Глобальной опорной сети наблюдений (ГОСН), в рамках которой на глобальном уровне разрабатывается и определяется сеть наземных наблюдений, необходимая для поддержки глобального ЧПП и реанализа климата. Требования, регламентирующие работу ГОСН, будут предусматривать количественные целевые показатели для измеряемых переменных и минимальное временное и пространственное разрешение, а международный обмен будет обязательным.
Большая часть усилий по совершенствованию сетей наблюдения и обмена данными была предпринята глобальным сообществом ЧПП. Однако это не обязательно означает, что другие области применения были оставлены без внимания или недостаточно охвачены данными наблюдений. Выходные данные глобальных систем ЧПП непосредственно используются для активизации многих других областей применения, которые таким образом наследуют часть своих потребностей в данных наблюдений от ЧПП.
Исторически сложилось так, что для обслуживания различных сообществ и областей применения были созданы независимые сети наблюдений, использующие различные стандарты, форматы и механизмы связи, несмотря на то, что многие измеряемые геофизические переменные были одинаковыми. В принципе, использовать наблюдения, сделанные одним сообществом, для обслуживания другого сообщества можно, но на практике это часто было сложно, долго и дорого. Чтобы устранить возникшую избыточность таких сетей и облегчить совместное использование имеющихся ресурсов, ВМО разработала концепцию Интегрированной глобальной системы наблюдений ВМО (ИГСНВ), которая была инициирована в 2011 году и объявлена готовой к эксплуатации в 2019 году. Проект резолюции о политике в отношении данных, представленный на внеочередной конгресс в 2021 году, в значительной степени обусловлен необходимостью содействовать дальнейшему развитию ИГСНВ и тем самым поддержать по-настоящему комплексный подход к системе Земля для мониторинга и прогнозирования окружающей среды (см. статью 2).
Выводы
Почти шестьдесят лет обмена данными в рамках Всемирной службы погоды ВМО показали огромную силу и преимущества глобального сотрудничества в понимании, прогнозировании и реагировании на разнообразные явления погоды и климата. За это время прогнозирование погоды прошло путь от узкофункциональной области, представляющей пользу в основном для мореплавателей, авиаторов, фермеров и любителей активного отдыха, до признания в качестве общественной необходимости и ресурса, правом на использование которого пользуются почти все секторы экономики и который используется в повседневной жизни почти всех людей на планете. Многие практики, зародившиеся в метеорологии, нашли своё применение в смежных дисциплинарных областях, многие из которых тесно сотрудничают с метеорологическим сообществом. ВМО обновляет свою политику в отношении данных в ответ на описанные изменения, а движущие силы, стоящие за этим обновлением, и его ожидаемое воздействие будут более подробно рассмотрены в оставшейся части этого выпуска.
Сноски
1 Межправительственная океанографическая Комиссия ЮНЕСКО, Программа Организации Объединённых Наций по окружающей среде.