Prognoza pogody: ogromny wysiłek naukowy i technologiczny
14 lipca 2022
To, co nazywamy prognozą pogody, jest symulacją przyszłych zdarzeń atmosferycznych. Ponieważ prawa fizyki i chemii są znane i mogą być opisane matematycznie, ze znanego stanu początkowego da się również wyliczyć stany przyszłe.
Brzmi to prosto, w praktyce jest jednak zadaniem, które można rozwiązać jedynie przy użyciu superkomputerów i wysoko zaawansowanej wiedzy naukowej. W rzeczywistości, nowoczesne prognozy pogody są tak wymagające, że nawet wielkie krajowe służby meteorologiczne czy usługodawcy działający globalnie nie są w stanie przygotować ich sami. Da się to zrobić tylko w ramach współpracy międzynarodowej, na przykład w zakresie gromadzenia danych lub programowania niezbędnych modeli.
Obliczenia na węzłach
Symulacja wszystkich rzeczywistych zdarzeń atmosferycznych poważnie przekraczałaby granice dzisiejszych możliwości. Modele prognostyczne stosowane przez meteorologów uciekają się więc do radykalnego uproszczenia: rozciągają nad Ziemią trójwymiarową, regularną siatkę i obliczają pogodę „jedynie” w jej węzłach.
Im mniejszy rozmiar oczka siatki, tym dokładniejsza będzie prognoza. W ten sposób jednak ogromnie wzrasta zbiór obliczeń, a zarazem kurczy się okno czasowe dla prognoz. Niemiecka Służba Meteorologiczna (DWD) wykorzystuje modele o wielkości oczek (odległości między sąsiadującymi węzłami siatki – przyp.) od 2,2 do 13 kilometrów. Są one jakby nałożone na siebie i symulują globalną, europejską oraz lokalną pogodę nad Niemcami. Prognozowany czas wynosi od 27 godzin dla dokładniejszego modelu dla Niemiec do siedmiu dni dla modelu globalnego.
Pętle obliczeniowe na superkomputerach
Aby zacząć obliczanie prognozy, modele te są „karmione” aktualnymi danymi pogodowymi, takimi jak ciśnienie powietrza lub temperatura dla każdego pojedynczego punktu siatki. Z tych danych, wykorzystując wysoce złożone algorytmy, komputery wyliczają stan pogody oczekiwany w tychże punktach w przyszłości, kilka sekund później.
Tak uzyskany zestaw danych pozwala rozpocząć kolejną rundę obliczeń, przy czym modele są na bieżąco dostosowywane do aktualnych danych pogodowych. W kolejnych, coraz to nowych pętlach obliczeniowych prognozowana jest coraz dalsza przyszłość. Kolejne programy komputerowe przetwarzają te wyniki na mapy pogodowe, a meteorolodzy korzystają z nich do tworzenia swoich raportów.
Wszystkie modele pozostają uproszczeniami
Tak obliczana siedmiodniowa prognoza pogody jest dziś według DWD tak samo wiarygodna jak 24-godzinowa prognoza z końca lat 60. Ostatecznie jednak nawet najlepsze modele prognostyczne zawsze pozostają uproszczeniami. Na przykład niektóre bardzo małe przestrzennie i bardzo złożone procesy w atmosferze wciąż jeszcze dają się oszacować tylko w sposób bardzo ogólny.
Z powodu niedokładności do modeli wkradają się również błędy, które w ciągle powtarzających się pętlach obliczeniowych nawarstwiają się na siebie. Problem zaczyna się już od tego, że dane wejściowe są niekompletne, bo w sieciach pomiarowych są ogromne luki na przykład na obszarze oceanów czy pustyń.
Po siedmiu dniach jest koniec
Te problemy pogłębia fakt, że sama pogoda jest systemem dynamicznym. Małe zmiany w jednym miejscu mogą mieć trudne do przewidzenia skutki gdzie indziej, zwłaszcza przy bardzo niestabilnej sytuacji pogodowej.
Aby móc przynajmniej lepiej oszacować te niedokładności, dzisiejsze modele prognostyczne działają zwykle probalistycznie. Oznacza to, że obliczają pogodę nie raz, ale dziesiątki razy, za każdym razem nieznacznie zmieniając swoje dane wejściowe i metody obliczeniowe. Efektem końcowym jest zbiór możliwych scenariuszy. Wybór tego najbardziej dopasowanego należy już do meteorologów.
Ostatecznie jednak możliwości nauki, mimo wszystkich sztuczek i chwytów, sięgają w pewnym momencie swoich granic. Według DWD w dzisiejszych czasach wiarygodne prognozy kończą się po około siedmiu dniach.
(AFP/pedz)