Влияние ограничений, связанных с COVID-19, на наблюдения и мониторинг

Продолжающийся кризис, связанный с COVID-19, оказывает влияние на широкий спектр деятельности в областях, которые далеки от проблем, непосредственно и явно связанных со здоровьем населения. К их числу относится деятельность ВМО в области погоды, климата и воды. В начале года, во время первых ограничений, связанных с COVID-19, средства массовой информации уделяли значительное внимание потенциальному влиянию на нашу деятельность. Сейчас, спустя несколько месяцев, когда во многих странах полным ходом идёт вторая волна COVID-19 и действуют связанные с ней ограничения, в этой статье даётся краткий обзор основного влияния на системы наблюдений, а также некоторые — большей частью спекулятивные — дискуссии о потенциальном влиянии на качество продукции и обслуживания. 

Самолётные наблюдения 

Рисунок 1. Среднемесячное количество наблюдений за день в рамках масштабных программ Информационной системы ВМО (ИСВ) с 2018 года.

Самое непосредственное и серьёзное влияние проявилось в быстром сокращении общей доступности самолётных наблюдений (см. рис. 1). Самолёты гражданской авиации измеряют скорость ветра и температуру атмосферы каждые несколько секунд в рабочем порядке. Они делают это для своих собственных, а не для метеорологических целей. Однако всё больше авиакомпаний гражданской авиации предоставляют комплекты данных этих измерений сообществу ВМО во времени, близком к реальному, для оперативных целей, используя систему самолётных наблюдений ВМО (ССН), которая является одной из важных сетей наблюдений в рамках Интегрированной глобальной системы наблюдений ВМО (ИГСНВ). За двухнедельный период в начале кризиса — в конце февраля и начале марта — общее количество данных самолётных наблюдений, полученных центрами глобального численного прогнозирования погоды (ЧПП), сократилось примерно на 15 % по сравнению с обычным количеством. Помимо этого, влияние сильно различалось в зависимости от географических условий. Над Европой, где большинство национальных границ закрыто и, следовательно, выполняется лишь незначительная часть полётов, предоставление данных самолётных наблюдений, по сути, прекращено. С другой стороны, над Соединёнными Штатами Америки многие внутренние рейсы продолжали выполняться. Таким образом, доступность наблюдений стабилизировалась на уровне около 50 % от количества наблюдений, доступных до COVID.

Самолётные измерения обеспечивают профили метеорологических переменных — в первую очередь температуры, скорости и направления ветра — на этапах взлёта и снижения. Самолётные наблюдения дополняют зондирование верхних слоёв атмосферы, производимое c помощью сети радиозондов, и имеют особенно высокую ценность для ЧПП, поскольку, как правило, наличие одновременно измеренных профилей ветра и температуры заметно повышают точность ЧПП, т.е. качество окончательного прогноза погоды. Наряду с измерением профилей на этапах взлёта и снижения самолёты гражданской авиации обеспечивают наблюдения во время горизонтального полёта на крейсерской высоте. Эти наблюдения во время горизонтального полёта особенно ценны над океаном и в Южном  полушарии, а также в других районах, где наблюдения in situ, как правило, имеются в недостаточном количестве. Наблюдения, производимые в рамках ССН, оказывают весьма существенное положительное влияние на точность ЧПП.

Рисунок 2. Скользящее среднее значение радиозондовых наблюдений за 7 дней по регионам ВМО.

Что касается мер по смягчению последствий, то разные Члены ВМО и их центры Глобальной системы обработки данных и прогнозирования (ГСОДП), включая Мировые метеорологические центры (ММЦ), попытались компенсировать недостаток самолётных наблюдений путём ввода дополнительных данных наблюдений в свои системы прогнозирования. Например, некоторые НМГС, особенно в Европе, осуществляют запуск дополнительных радиозондов помимо регулярных запусков, выполняемых два раза в день (см. рис. 2), а данные измерений ветра, полученные с исследовательского спутника ЕКА Aeolus/ADM, в настоящее время усваиваются некоторыми центрами на регулярной основе. Как минимум две частные компании бесплатно предоставили дополнительные данные определённым центрам ЧПП во время пика кризиса весной 2020 года. Обычно эти данные доступны только на коммерческой основе, а именно это так называемые данные наблюдений с самолётов, передаваемые в рамках ТАМДАР, и данные, полученные методом ГСОМ-радиозатмение (ГСОМРЗ), с помощью группировки малых спутников, эксплуатируемых компанией SPIRE Inc

Другие компоненты системы наблюдений

Рисунок 3. Изменчивость приземных наблюдений (скользящее среднее значение за 7 дней в сравнении со средним показателем за январь 2020 года).

Помимо ССН, воздействию подверглись и другие системы наблюдений, хотя и в гораздо меньшей степени, по крайней мере на глобальном уровне. Многим НМГС по всему миру приходилось приостанавливать работу или переходить к работе в удалённом режиме. Особенно чувствуется влияние в развивающихся странах, где значительное число станций наблюдений всё ещё требуют участия человека для считывания показаний приборов и/или для кодирования и передачи данных наблюдений (см. рис. 3).

Кризис затронул также системы морских наблюдений (см. рис. 4), особенно в части наблюдений, проводимых судами, участвующими в Программе судов добровольного наблюдения (СДН) ВМО. Сейчас они, похоже, стабилизировались на уровне около 80 % от уровня до начала COVID. Во время кризиса судоходство в целом пострадало меньше, чем авиаперевозки, но тем не менее косвенное воздействие ограничений, связанных с COVID-19, ощущалось. Портовым метеорологам было трудно посещать суда для ремонта или калибровки измерительного оборудования, и это, как полагают, является одной из основных причин сокращения количества наблюдений.

Рисунок 4. Суточные наблюдения.

Большая часть других систем морских наблюдений, таких как дрейфующие буи, заякоренные буи и буи АРГО, отличаются высокой степенью автоматизации и автономности и поэтому меньше подвержены кратковременному воздействию COVID-19. Дрейфующие буи и ныряющие буи со временем требуют замены, а заякоренные буи необходимо регулярно обслуживать, поэтому в течение более длительного периода времени влияние вполне может оказаться значительным. Большую часть дрейфующих и ныряющих буёв производят относительно небольшие компании, некоторые из них могут не пережить длительный период без заказов клиентов. Упущенная возможность осмотреть заякоренные буи может привести к их полной утрате, и поскольку потерянное судовое время является ресурсом, который невозможно легко восстановить после окончания кризиса, могут потребоваться годы для устранения любого отставания, которое может возникнуть в результате продолжительного кризиса.

В целом автоматизированные и автономные системы зарекомендовали себя лучше в ходе этого кризиса, чем системы, зависящие от прямого регулярного участия человека. Таким образом, можно ожидать, что спутниковые системы будут обладать очень хорошей изначальной устойчивостью к кризисам такого типа, как кризис, вызванный COVID-19. Спутниковые системы полностью автоматизированы и автономны, срок их эксплуатации обычно составляет несколько лет, a оперативные системы, образующие основу космического компонента ИГСНВ, как правило, проектируются, предусматривая ту или иную форму резервных возможностей на орбите. До тех пор пока есть возможность продолжать разработку и осуществление программ на местах достаточно быстро для того, чтобы система могла обновляться по мере необходимости, космический компонент системы должен быть в состоянии продолжать обеспечивать наблюдения, несмотря на COVID-19. И действительно, поток данных спутниковых наблюдений, которые в настоящее время занимают доминирующее положение среди всех типов наблюдений как по объёму данных, так и по вкладу в повышение точности прогнозов, остался в значительной степени незатронутым нынешним кризисом.

Области применения конечных пользователей

Что касается влияния ограничения возможностей для наблюдений на области применения конечных пользователей, то самые эффективные инструменты для оценки этого влияния обеспечиваются глобальными системами ЧПП, поддерживаемые рядом Членов ВМО в рамках ГСОДП. Все такие системы предусматривают наличие методик, позволяющих связывать точность прогнозирования с конкретными типами наблюдений и/или местами наблюдений. Однако одним из осложняющих факторов является то, что ранжирование важности каждого вида наблюдения с точки зрения его влияния на точность ЧПП может отличаться в разных системах ЧПП.

Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП), являющийся одним из ММЦ, сообщает, что с точки зрения влияния на прогнозы данные самолётных наблюдений (ДСН) уступают только спутниковым данным. По усреднённым данным за 2019 год на них приходится 13 % от влияния всех типов наблюдений, использованных в ЕЦСПП. Что касается Метеорологического бюро Соединённого Королевства и Центра цифровой метеорологии и океанографии флота (ЦЦМОФ) ВМС  США, то за тот же период (2019 год) влияние ДСН на их соответствующие глобальные модели составило 8 и 9 %. Это даёт разумные основания ожидать, что серьёзный недостаток ДСН отрицательно повлияет на точность прогнозов. Уменьшение количества ДСН во время пандемии чётко прослеживается на графиках временных рядов, как показано на рис. 1, но из-за каждодневной изменчивости атмосферных условий и качества прогнозов не так просто однозначно продемонстрировать влияние этого уменьшения на точность прогнозирования. Точность прогнозов варьируется каждый день под воздействием факторов, учитывающих не только количество и качество имеющихся наблюдений, но и в первую очередь преобладающие типы и пространственные масштабы погодных явлений в определённый день.

В рамках базового контролируемого эксперимента по отказу от данных, проведённого до пандемии COVID-19, влияние можно оценить количественно, и это может помочь сделать определённые аналитические выводы. В этой связи в 2019 году EЦСПП провёл эксперимент по отказу от ДСН путём расчёта серии прогнозов с использованием всех данных доступных наблюдений, за исключением ДСН. Качество полученных прогнозов сравнили с качеством прогнозов, сделанных с использованием всех имеющихся данных. Результат показал, что ветер и температура в Северном полушарии являются основными величинами, на прогноз которых отказ от ДСН оказывает отрицательное влияние. Было установлено, что наиболее значительно точность ухудшалась в течение первых 24 часов срока действия прогноза, и это ухудшение продолжалось до 7 дней этого срока. Уровень высоты, на котором осуществляется сбор ДСН, имеет важное значение, поскольку он также находится вблизи максимальной интенсивности полярного струйного потока, который играет существенную роль в управлении основными погодными системами. Более подробные результаты можно найти здесь.

Учёные из нескольких ММЦ (Австралийское бюро метеорологии (АБМ), ЕЦСПП, Национальный центр США для прогнозирования окружающей среды (НЦПОС) и Метеорологическое бюро СК) в настоящее время работают над оценкой и анализом влияния сокращения различных видов наблюдений в период пандемии. Первоначальная гипотеза заключается в том, что влияние действительно может иметь место, и сообщалось о том, что есть неподтверждённые данные о некотором влиянии на качество краткосрочного прогноза. Однако факторы, перечисленные в предыдущем абзаце, затрудняют обнаружение однозначного сигнала. На недавней сессии своего Технического консультативного комитета, состоявшейся в октябре, ЕЦСПП сообщил, что он не увидел «никакого явного снижения качества прогнозов несмотря на потерю наблюдений из-за COVID-19». Дополнительная информация будет публиковаться по мере поступления.

Извлечённые уроки

Таким образом, кризис, связанный с COVID-19, несомненно, повлиял на наличие данных наблюдений, и это влияние было весьма значительным для одних компонентов и не очень значительным — для других. В то время как общее влияние кризиса на продукцию для конечных пользователей до сих пор изучается, некоторые уроки уже можно извлечь.

Урок номер один заключается в том, что автоматизированные системы, как правило, очень устойчивы к такого рода кризисам. Второй урок сводится к тому, что определённый уровень точности прогноза может быть достигнут с помощью сочетания различных типов наблюдений. Отрадно видеть, что различные организации как государственного, так и частного сектора принимают меры, чтобы предложить сообществу, занимающемуся моделированием, дополнительные наблюдения с целью смягчения последствий потери данных в результате кризиса. И самый важный урок: кризис напомнил об опасности чрезмерной зависимости от попутных наблюдений, например самолётных наблюдений. Хотя эти данные, несомненно, представляют большую ценность для ЧПП, кризис, связанный с COVID, показал, что их доступность полностью определяется коммерческими и эксплуатационными ограничениями авиакомпаний, которые их предоставляют, т. е. факторами, которые полностью находятся вне контроля ВМО и НМГС её Членов.

Поскольку использование попутных наблюдений продолжает расти, крайне важно поддерживать определённый уровень инвестиций в основные наблюдения, которые выполняются с единственной и конкретной целью — послужить основой для обслуживания в области погоды, климата, воды и окружающей среды, предоставляемого всеми Членами под эгидой ВМО. В любом случае кризис наглядно продемонстрировал огромную ценность эксплуатационной надёжности, качества, присущего системе наблюдений, состоящей из многих и разнообразных компонентов, которыми управляет широкая группа организаций из разных секторов и разных стран.