Зачем нужна математика для прогноза погоды?

Кто из ученых и из каких стран впервые осуществили численное предсказание погоды?

Попытки научно обоснованного прогноза погоды были лишь в XVIII в. после изобретения измерительных приборов и открытия физических законов, определяющих поведение газов. В середине XIX столетия ученые поняли, что движения в атмосфере могут иметь упорядоченный характер и что существуют крупные синоптические системы, перемещение и развитие которых определяют погоду в определенной точке.

В 1888 г. Г. Гельмгольц сформулировал фундаментальные законы движения воздуха, необходимые для описания атмосферных процессов. Эти математические законы представляли собой систему гидродинамических и термодинамических уравнений. В конце XIX в. В. Бьеркнес высказал идею, что погода может быть предвычислена количественно с помощью этих уравнений на основе тщательного анализа первоначального состояния атмосферы. Идея Бьеркнеса вдохновила известного математика и метеоролога Л. Ричардсона, и он предпринял попытку предвычислить погоду с помощью уравнений. Результаты его трудов были опубликованы в 1922 г. в работе «Прогноз погоды как численный процесс». Им впервые была составлена замкнутая система уравнений, описывающих динамику атмосферы, и применен математический аппарат для ее реализации. Эта попытка оказалась неудачной, и был сделан вывод о бесперспективности предвычисления погоды. Причина неудачи заключалась, прежде всего, в том, что огромное количество вычислений не могло быть выполнено без использования быстродействующей вычислительной техники (Л. Ричардсон подсчитал, что для получения одного прогноза на сутки потребуется 64 тысячи человек!), а размер шага интегрорования по времени привел к нереалистичным результатам. Тем не менее, результаты этой работы сыграли положительную роль при проведении дальнейших научных исследований. Стало ясно, что для прогноза погоды исходные уравнения гидродинамики нужно упрощать так, чтобы с их помощью можно было описывать, прежде всего, основные факторы, ответственные за динамику процесса, и отфильтровывать несущественные – так называемые метеорологические шумы. Кроме того, вычислительная схема должна обладать такими свойствами, при которых численный метод будет пригоден для расчета.

Вследствие такой бесперспективности численного прогнозирования развитие прогностической метеорологии в 20–30-е годы прошлого столетия пошло , главным образом, по пути создания физических моделей, описывающих структуру и эволюцию погодных систем, и установления закономерностей в общей циркуляции атмосферы. Крупный вклад в решение проблемы прогноза погоды внесли известные ученые Норвежской школы В. Бьеркнес, С. Сульберг и Т. Бержерон, а в России – С.П. Хромов. Ими был разработан фронтологический метод синоптических прогнозов. В соответствии с этим методом погода зависит от расположения, свойств, перемещения и взаимодействия воздушных масс и атмосферных фронтов.