Необходимо прогнозировать не только обычную (по научному – метеорологическую), но и химическую погоду, – считает Сергей Смышляев, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории моделирования атмосферных процессов Российского государственного гидрометеорологического университета.
Недавно городские и федеральные службы, «отвечающие» за погоду в Петербурге, сообщили, что им удалось совместить информацию, получаемую от сети стационарных постов вне зависимости от их ведомственной принадлежности (25 подчинены городу, 9 федеральные). Поможет ли это делать более качественные прогнозы? Подробности Сергей Смышляев рассказал «Городу 812».
– Что такое химическая погода?
– Про метеорологическую погоду все примерно понимают, и знают, как происходит процесс ее контроля и прогноза. СМИ сообщают текущее состояние погоды: температура, осадки, атмосферное давление, влажность воздуха, скорость и направление ветра. На основании знания текущего состояния метеорологической погоды дается прогноз по этим параметрам. На ближайшие три дня ему можно верить, если не произойдет каких-то резких изменений.
– Только на три дня?
– Представим себе, что сформировались воздушные массы. Они движутся в определенном направлении, и по скорости их перемещения при помощи математических моделей можно рассчитать погоду до 72 часов вперед. Синоптики еще это делают с помощью карт, они смотрят по ним состояние атмосферы 3, 6 и более часов назад и, сопоставляя данные, предсказывают будущее. На большем временном интервале уже могут играть существенную роль процессы, которые сформируются в эти 72 часа, а их характеристики точно рассчитать или оценить по картам уже намного сложнее.
По нашему мнению, которое разделяют многие наши коллеги в разных странах, по тем же принципам можно определять, контролировать и прогнозировать и качество атмосферного воздуха, в значительной степени определяемое химическими процессами в атмосфере.
Существуют модели, которые позволяют (если в них закладывать текущее значение концентраций плюс метеорологические параметры) уже сейчас на те же три дня делать прогноз изменения качества воздуха. По аналогии с метеорологической погодой состояние качества воздуха в течение краткосрочного временного периода можно называть химической погодой.
– Почему мы не слышим прогнозов химической погоды?
– Во-первых, химическая погода все же намного сложнее, чем метеорологическая. Всемирная организация здравоохранения установила пять веществ, по которым надо контролировать воздух повсеместно: твердые частицы (ТЧ), озон (О3), двуокись азота (NO2) и двуокись серы (SO2). В 2020 году набор будет пересматриваться и, возможно, будет расширен.
Но для Петербурга, как и для других промышленных центров, список вредных веществ может расширяться и доходить до нескольких десятков и даже сотен в зависимости от состава выбросов и расположения промышленных предприятий. Очевидно, что нужно контролировать содержание других азотных и серных газов и углеводородов, например, формальдегида и ароматических углеводородов.
Плюс в городе велико влияние локальных факторов: уличные «каньоны», отражательная способность крыш, влияние застройки и ее изменения. Особое внимание следует обращать на запахи. Необходимо учитывать, что если горожане жалуются на запахи, то надо четко представлять, какие из них сопутствуют выбросам вредных, токсичных веществ, а какие некомфортные, но не представляют токсической опасности.
– Есть приборы, которые измеряют запахи?
– Мне они неизвестны, но в последнее время появилось понятие «запах воздуха», оно касается не только токсичных газов.
– А другие причины, что нет прогнозов химической погоды?
– В отличие от прогноза обычной погоды, очень велика, вплоть до уголовной, ответственность за загрязнение воздуха и нанесение вреда здоровью населения. Но и прогнозистам надо будет отвечать за свой продукт по полной программе. А ошибки в прогнозах неизбежны. Если столько шума вызывают ошибки в прогнозе обычной погоды, представьте себе, какой резонанс получат ошибки в прогнозе погоды химической. Так что, здесь, вероятно, сошлись интересы промышленных лоббистов и сторонников осторожного подхода.
– Как сдвинуться с мертвой точки?
– У нас есть несколько математических моделей изменения химической погоды. Мы тестировали их в Казахстане, в Усть-Каменногорске, где расположены угольные шахты и полный промышленный букет. С помощью приборов, установленных нашими партнерами, осуществляется непрерывный мониторинг качества воздуха, и на основе этих данных мы можем делать прогноз, пока на стадии опытного образца. В Петербурге, как и во многих других местах, благодаря усилиям местного правительства и подразделений Росгидромета достаточно успешно развиваются системы мониторинга качества воздуха, т.е. первая часть системы контроля химической погоды. Далее нужна политическая воля, чтобы на основе уже существующей системы контроля качества воздуха, не забывая про ее дальнейшее развитие, перейти ко второй части, т.е. прогнозу химической погоды и доведения информации о ее текущем и будущем состоянии до населения через средства массовой информации, как это делается для метеорологической погоды.
Есть экономические интересы и заинтересованность отдельных предприятий, например в Мурманской области, которым надоели постоянные претензии о загрязнении воздуха, и в некоторых случаях при наличии экономической возможности они готовы, получив прогноз химической погоды, переждать, «прикрутить вентиль» и выбрать более приемлемый с точки зрения влияния на качество воздуха период для экономической деятельности.
В Москве, например, уже существует прообраз системы химической погоды, когда с использованием проверенной французской модели и модели Европейского консорциума, адаптированных для Московского региона, делается прогноз изменения качества воздуха. Там не применяют термин «химическая погода», но по факту это именно она.
– И можно прочитать прогноз?
– Нет, широко он не публикуется, но на сайте Мосэкомониторинга при желании можно найти и прогностическую информацию.
– А как дела в Петербурге?
– Пока все на уровне разговоров. Одно из наших предложений – двигаться в направлении тестирования как можно большего количества моделей в течение достаточно длительного тестового периода, чтобы существенно уменьшить возможность ошибок прогноза качества воздуха. Цель такой работы не лавры делить, какая модель лучше, а использовать именно несколько моделей, сочетая их плюсы и нивелируя минусы.
Параметры сотрудничества очевидны: метеостанции – городские и федеральные – представляют данные в автоматическом режиме. Мы и ученые из других организаций загружаем их в разные модели. Например, автомобили бегают по КАД на одном участке примерно с одинаковой плотностью в сутки. Померив концентрации контролируемых газов по всей КАД сегодня, можно по диагностической модели оценить выбросы города в целом и по отдельным источникам, внесенным в базу выбросов, и по прогностической модели спрогнозировать, какими концентрации будут завтра, а потом сравнить с новыми замерами.
Между тем в 2019 году РГГМУ отказали в лицензии на право давать метеорологические, гидрологические и океанологические прогнозы. В общем, на любой прогноз. Мы можем вести только мониторинг. Т.е. получается абсурдная ситуация: мы можем учить студентов давать прогнозы, но сами давать эти прогнозы официально не можем.
– Отказали потому, что интересуетесь химической погодой?
– Цитата из отказа: «… заключающегося в отсутствии у лицензиата возможности подготовки и предоставления потребителям достоверной прогностической информации о загрязнении атмосферного воздуха…»
– Допустим, что все со всеми договорились и составляется прогноз химической погоды. И вдруг зафиксировано резкое отклонение. Как узнать, кто автор?
– Первое. Посты должны стоять густо. Если от одного до другого один километр, то погрешность такого же порядка. А предприятия могут располагаться ближе. Иное дело, что вряд ли у соседей одинаковое производство.
Второе. Необходимо проверить, не принесло ли выбросы со стороны. Для этого используется метод т.н. обратных траекторий, который учитывает направление ветров за последние сутки. Здесь точность также зависит от плотности размещения станций.
И только проанализировав все данные и осуществив модельный расчет, можно «указывать пальцем».
Кстати, уменьшение шага сетки станций, автоматически передающих данные, сильно усложнит любую модель. Между тем ассимиляция моделью данных измерений – это серьезная научная задача. Надо учесть все ошибки как измерений, так и моделирования – от человеческого фактора до случайных ошибок, в том числе и от случайного скачка напряжения.
– А прогресс в развитии компьютеров не упростит создание моделей химической погоды?
– Развитие компьютерной техники идет рывками. За сорок лет, пока идет работа над моделями химической погоды, скорость математических расчетов с использованием компьютеров сильно увеличилась, что, конечно, продвинуло решение задачи. Но был период, когда скорость процессоров росла очень быстро. Сейчас она не увеличивается так быстро, как ранее, однако развиваются методы параллельного использования большого количества процессов одновременно.
Ждем нового скачка. Мы и глобальные процессы моделируем, что требует также больших компьютерных ресурсов, например, изменение толщины озонового слоя Земли, и это тоже связано с химическими процессами в атмосфере.
– Раз заговорили про глобальное, скажите тогда: глобальное потепление – это правда или миф?
– Правда. Регулярные измерения температуры идут, если правильно помню, с 1749 года. И они показывают, что на Земле теплеет. Причем быстрее это происходит в Арктике, медленнее в Африке. Так что к слову «глобальное» надо осторожнее относиться.
Другое дело, что были на Земле ледниковые периоды. Были периоды, когда мамонты паслись в Гренландии на зеленой травке.
Кроме того, есть физические предпосылки влияния выбросов парниковых газов на температуру воздуха у поверхности. Если заложить в модели выброс парниковых газов, то она даст потепление, но обмен тем же самым СО2 между атмосферой и океаном может давать даже больший эффект, чем все выбросы промышленные. Потепление – это факт, который подтверждается результатами наблюдений, но причины его, скорее всего, это комбинация естественных и антропогенных факторов.
– Встречаются утверждения, что борьба с потеплением – это способ добывать деньги под определенные бизнесы.
– И это тоже, вероятно, есть. Серьезно говоря, кроме инструментальных измерений много еще надо ученым поработать.
– Вы постоянно применяли выражение «математическая модель». Прогноз погоды, нормальной и химической, – удел математиков?
– Академик Гурий Марчук, последний президент АН СССР, верил во всемогущество математики в любой области знания. Изменчивость и физических и химических процессов описывается математическими уравнениями. Чтобы их правильно написать, нужно понимание особенностей физических и химических процессов. Поэтому только совместные усилия и физиков, и химиков, и математиков могут привести нас успеху в улучшении как метеорологических, так и химических прогнозов.
Вадим Шувалов
