Predpoveď počasia nikdy nebude 100% presná pre tento vedecký dôvod

Veda o predpovediach počasia spadá každý deň do verejnej kontroly. Keď je prognóza správna, len zriedka komentujeme, ale často sa nám sťažujeme, keď je prognóza nesprávna. Sme niekedy schopní dosiahnuť dokonalú prognózu, ktorá je presná na hodinu?

Pri príprave predpovede počasia existuje mnoho krokov. Začína svoj život ako globálna „snímka“ atmosféry v danom čase, mapovaná na trojrozmernú mriežku bodov, ktoré pokrývajú celú zemeguľu a rozprestierajú sa od povrchu k stratosfére (a niekedy aj vyššie).

Pomocou superpočítača a sofistikovaného modelu, ktorý opisuje správanie atmosféry fyzickými rovnicami, sa tento snímok postupne posunie vpred, čím sa vytvorí množstvo terabajtov nespracovaných údajov o prognóze. Potom je na ľudských prognostikoch, aby interpretovali údaje a premenili ich na zmysluplnú predpoveď, ktorá sa vysiela verejnosti.

Či v počasí

Predpovedanie počasia je obrovskou výzvou. Na začiatok sa snažíme predpovedať niečo, čo je vo svojej podstate nepredvídateľné. Atmosféra je chaotický systém - malá zmena stavu atmosféry na jednom mieste môže mať časom pozoruhodné následky, čo bol jeden vedec analogický ako tzv. Motýľový efekt.

Akákoľvek chyba, ktorá sa vyvíja v prognóze, rýchlo rastie a spôsobí ďalšie chyby vo väčšom meradle. A keďže pri modelovaní atmosféry musíme urobiť veľa predpokladov, je jasné, ako ľahko sa môžu predpovedať chyby. Pre dokonalú prognózu by sme museli odstrániť každú jednotlivú chybu.

Prognóza zručnosti sa zlepšuje. Moderné predpovede sú určite oveľa spoľahlivejšie, než boli pred časom superpočítača. Najskoršie publikované predpovede Spojeného kráľovstva siahajú do roku 1861, kedy dôstojník Royal Navy a horlivý meteorológ Robert Fitzroy začal publikovať predpovede v The Times.

Jeho metódy zahŕňali kreslenie meteorologických máp pomocou pozorovaní z malého počtu miest a robili predpovede založené na tom, ako sa počasie vyvíjalo v minulosti, keď boli grafy podobné. Ale jeho predpovede boli často nesprávne a tlač sa zvyčajne rýchlo kritizovala.

Veľký pokrok bol dosiahnutý, keď boli superpočítače predstavené v prognózovanej komunite v 50. rokoch. Prvý počítačový model bol omnoho jednoduchší ako dnešný model, ktorý predpovedal len jednu premennú na mriežke s rozstupom viac ako 750 km.

Táto práca pripravila pôdu pre moderné prognózy, ktorých princípy sú stále založené na rovnakom prístupe a rovnakej matematike, aj keď modely sú dnes oveľa zložitejšie a predpovedajú oveľa viac premenných.

V súčasnosti sa predpoveď počasia zvyčajne skladá z viacerých cyklov počasia. Prevádzkové meteorologické centrá spravidla prevádzkujú globálny model s rozstupom mriežky okolo 10 km, ktorého výstup sa prenáša na model s vyšším rozlíšením, ktorý beží na miestnej ploche.

Ak chcete získať predstavu o neistote v prognóze, mnoho meteorologických centier tiež prevádzkuje niekoľko paralelných predpovedí, z ktorých každý má nepatrné zmeny v počiatočnej snímke. Tieto malé zmeny rastú počas prognózy a dávajú prognostikom odhad pravdepodobnosti, že sa niečo deje - napríklad percentuálna šanca, že prší.

Budúcnosť prognóz

Vek superpočítačov má zásadný význam pre rozvoj vedy o predpovedaní počasia (a predpovede klímy). Moderné superpočítače sú schopné vykonávať tisíce biliónov výpočtov za sekundu a môžu ukladať a spracovávať petabyty údajov. Superpočítač Cray vo Veľkej Británii Met Office má výkon a ukladanie dát asi milión smartfónov Samsung Galaxy S9.

To znamená, že máme výkon na spracovanie našich modelov pri vysokých rozlíšeniach a zahŕňajú viac premenných v našich prognózach. To tiež znamená, že môžeme spracovať viac vstupných údajov pri generovaní nášho počiatočného „momentku“, čím sa vytvorí presnejší obraz atmosféry, aby sa mohla začať prognóza.

Tento pokrok viedol k zvýšeniu schopnosti predpovedať. Čistá kvantifikácia bola prezentovaná v a príroda štúdia od roku 2015 Petera Bauera, Alana Thorpeho a Gilberta Bruneta, popisujúca pokroky v predpovedi počasia ako „tichú revolúciu“.

Ukazujú, že presnosť päťdňovej predpovede je v súčasnosti porovnateľná s trojdňovou predpoveďou asi pred 20 rokmi, a že každé desaťročie získame o jeden deň hodnotu zručnosti. Dnešné trojdňové prognózy sú v podstate také presné ako dvojdňová predpoveď pred desiatimi rokmi.

Je pravdepodobné, že tento nárast zručností bude pokračovať aj v budúcnosti? To čiastočne závisí od pokroku, ktorý môžeme dosiahnuť pomocou superpočítačovej technológie. Rýchlejšie superpočítače znamenajú, že naše modely môžeme prevádzkovať vo vyššom rozlíšení a predstavujú ešte viac atmosférických procesov, teoreticky vedúcich k ďalšiemu zlepšeniu zručností prognózy.

Podľa Moorovho zákona sa náš počítačový výkon od 70-tych rokov zdvojnásobil každé dva roky. Toto sa však v poslednom čase spomaľuje, takže na dosiahnutie budúceho pokroku môžu byť potrebné ďalšie prístupy, napríklad zvýšenie výpočtovej efektívnosti našich modelov.

Takže budeme niekedy schopní predpovedať počasie so 100% presnosťou? Stručne povedané, nie. Tam sú 2 × 10⁴⁴ (200,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000). Chaotická povaha počasia znamená, že pokiaľ musíme robiť predpoklady o procesoch v atmosfére, vždy existuje potenciál, aby model vyvinul chyby.

Pokroky v modelovaní počasia môžu zlepšiť tieto štatistické reprezentácie a umožniť nám urobiť realistickejšie predpoklady a rýchlejšie superpočítače nám môžu umožniť pridať k našim modelom počasia viac podrobností alebo rozlíšenie, ale v centre prognózy je model, ktorý bude vždy vyžadovať niektoré predpoklady.

Pokiaľ však existuje výskum zameraný na zlepšenie týchto predpokladov, budúcnosť predpovedí počasia bude jasná. Ako blízko sa však dostaneme k dokonalej predpovedi, je ešte potrebné vidieť.

Tento článok bol pôvodne uverejnený na Konverzácii Jon Shonk. Prečítajte si pôvodný článok.