Ким Померанец - Несчастья невских берегов. Из истории петербургских наводнений
А вот пример совершенно неудачного прогноза. В середине ноября 1978 г. над Балтийским морем сериями проходили глубокие активные циклоны с Атлантики. 15 ноября в Ленинграде произошло наводнение, едва не достигшее особо опасной отметки (см. главу «Памятные наводнения»).
Сохранялась угроза дальнейших подъемов воды. 16 ноября около полудня по радио объявили штормовое предупреждение: «Сегодня в 18—20 часов ожидается катастрофическое наводнение высотой до 3,5 м». Но вода поднялась только до 147 см. Город вздохнул с облегчением, хотя ложная тревога потребовала немалых затрат и усилий. Синоптики огорчились, зато у сторонников строительства дамбы появился лишний довод в свою пользу. Дескать, гидротехническая защита тем более необходима, поскольку метеослужба ошибается. Довод слабый и недальновидный, ибо правильное функционирование сооружений невозможно без прогноза наводнений.
Наконец, о прогнозе недавнего наводнения – 15 ноября 2001 г. Опасную ситуацию создал циклон, пришедший с севера Ботнического залива и следовавший на юго-восток. Синоптики называют такие циклоны «ныряющими». Они не вызывают четко выраженной «длинной волны», что затрудняет слежение за формированием и развитием нагона. Основную опасность в таких случаях представляет ветер. Прогноз осложнялся неполной информацией об уровне воды на станциях прибалтийских стран. Тем не менее около полудня по радио объявили штормовое предупреждение о возможности наводнения с максимумом 160—190 см в 18—19 часов. Фактический максимум составил 216 см и наступил в 18 часов 15 минут. Прогноз с заблаговременностью более шести часов оказался, следовательно, практически точным по времени наступления пика, а ошибки по высоте составили 25—55 см. Совсем неплохо по прогностическим нормативам.
Эмпирические, то есть основанные на опыте, методы непременно присутствуют в любых исследованиях. Им свойственны свои преимущества и недостатки, они реализуются путем проб и ошибок. Их соотношение с теорией и практикой всегда являлось важной проблемой познания окружающего мира. Альберт Эйнштейн, физик-теоретик, высоко отзывался о таких методах: «Ни один ученый не мыслит формулами… В минуты кризисов воображение важнее знаний… Гений – это интуиция…» Довольно удачно, хотя и менее серьезно, отозвался как-то о таких методах участник обсуждения далеких от нашей темы вопросов парусного спорта: «Проектирование яхт похоже на роман с женщиной. Поскольку теория не разработана, остается только эмпирический подход. Даже если мужчина может похвастаться на этом поприще, он чаще всего не имеет никакого понятия о причинах своего успеха».[97]
Гидродинамический метод прогноза
Данные измерений уровня воды в Балтийском море и Финском заливе показывают, что наводнения представляют собой волны, горизонтальные размеры которых значительно превосходят глубину бассейна. Эта особенность наводнений позволяет применить к их изучению один из самых развитых разделов гидродинамики – теорию «длиных волн на мелкой воде». Фундаментальная формула этой теории для скорости волны, зависящая только от глубины водоема (учитывается также постоянная величина – ускорение свободного падения), приводит к значениям, очень близким к эмпирическим, получаемым из наблюдений.
Основы теории «длинных волн» разработаны трудами великих ученых – И. Ньютона, Д. Бернулли, Л. Эйлера, Ж. Лагранжа, П.-С. Лапласа. С ее помощью более двух веков назад получены замечательные результаты в исследовании морских приливов, включая необходимое для практики их предвычисление. С 1950-х гг. приложения теории «длинных волн на мелкой воде» распространились на изучение морских наводнений, сейшей, приливов, речных половодий и паводков. В начале 1960-х гг. ее применили к прогнозу наводнений в Ленинграде.[98]
Популярное изложение математической теории – занятие неблагодарное и, строго говоря, невозможное. Нельзя в полной мере сочетать научную строгость, воплощенную в математической теории, с доступностью популярного изложения. Нельзя исчерпывающе объяснить математическую задачу простым языком, но передать общий смысл в какой-то степени можно, что мы и попытаемся исполнить ниже. Однако необходимо помнить, что у математики свой язык, совершенно отвлеченный, не похожий ни на какой другой. На этом языке люди научились кратко и содержательно излагать характер окружающих нас природных явлений. С помощью математического языка решаются конкретные научные и технические задачи, для которых известны исходные положения и поставлены конечные цели.
Инженеры-практики, и синоптики в том числе, пользуются расчетными формулами, соотношениями, зависимостями, в самом общем виде представляя себе, что весь их рабочий аппарат основан на небольшом числе фундаментальных теорий и уравнений математической физики, статистической термодинамики, гидро– и аэромеханики. В нашем случае гидродинамическая теория «длинных волн на мелкой воде», выраженная математическим языком в виде уравнений, позволяет преобразовать определенный набор исходной информации в интересующий нас прогностический результат. Попытаемся популярно изложить эту процедуру, опуская математическую постановку задачи и способы ее решения.
Теория «длинных волн на мелкой воде» математически описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных. Этих уравнений три: два уравнения движения и одно – неразрывности. Уравнения выражают основные законы физики: второй закон Ньютона и закон сохранения массы. В уравнениях содержатся все физические характеристики, с которыми связаны наводнения: время, расстояния, глубины, географическая широта, ускорение свободного падения, угловая скорость вращения Земли, коэффициенты трения воды о дно и воздуха о поверхность воды. Уравнения требуют задания действующих сил – ветра и атмосферного давления, а также начального состояния движения и условий на границах бассейна.
Решить такую систему уравнений и рассчитать реальный подъем воды в конкретном объекте можно только специальными методами и, конечно, с помощью компьютера. Вычисления выполняются шагами по времени и пространству на сетке, которой покрывается изучаемый объект, в нашем случае – Трансбалтика, Финский залив или вся акватория Балтийского моря.
Объем вычислений огромен. В начале 1960-х гг. одна из первых отечественных электронных вычислительных машин-«Урал-1» – выполняла гидродинамический прогноз, причем на грубой сетке, со скоростью самого подъема воды, так сказать, в режиме реального времени, что совершенно непригодно для заблаговременного прогноза. Но техника развивалась быстро, и в 1967 г. уже был составлен первый прогноз реального наводнения в Ленинграде. На современных компьютерах гидродинамические прогнозы составляются при каждой угрозе наводнений за считанные минуты. Да еще в нескольких вариантах (скажем, с различными вариантами метеорологических прогнозов). Полученные результаты оцениваются, причем также математически, непременно сопоставляются с показателями, выведенными эмпирическим методом, после чего принимается прогностическое решение. Неудачный прогноз, конечно, уже ничто спасти не может, но поиски причин неудачи продолжаются и после наводнения. Вся эта исследовательская интересная, но во многом и рутинная утомительная работа весьма схожа с работой в физической (химической, биологической) лаборатории. Она и получила название «численный эксперимент».[99]
Гидродинамический метод расчета и прогноза наводнений является наиболее общим и универсальным. Он использует всю доступную информацию и описывает явление полностью во времени и по всему морю (можно было бы привести результаты для Кронштадта, Гогланда, Таллинна…). Но его недостаток – в невозможности корректуры в течение по крайней мере трех– шести часов до поступления нового прогноза атмосферного давления, скорости и направления ветра. Так организована служба регулярных прогнозов. За это время прогноз наводнения может оказаться запоздалым. Синоптики же способны вводить информацию с отдельных станций даже ежечасно. Гидродинамический метод гораздо более склонен к совершенствованию с помощью численных экспериментов. Эмпирический же ограничен рамками заданной формулы, хотя и привлекательно простой. Его возможности к уточнению и повышению качества практически исчерпаны. Правда, формулы прогноза уровня воды в Петербурге можно составить не только по показаниям в Таллинне, но и с использованием данных любого пункта Трансбалтики, где производятся измерения уровня воды и силы ветра. Тогда образуется система уравнений, мало уступающая по объему гидродинамической, и эмпирический метод утратит простоту и быстроту.
Принципиально же методы не противоречат друг другу. Тот и другой учитывают волновую природу наводнений, их метеорологическое происхождение и влияние атмосферных факторов. Их противопоставление, продолжавшееся около тридцати лет, было вызвано вовсе не научными или техническими причинами. Теперь есть все возможности взаимодействия двух методов и, соответственно, улучшения качества прогнозов наводнений в Петербурге.
