Podczas gdy naukowcy, tacy jak Einstein, Newton, Maxwell i inni, byli w stanie stworzyć fizykę teoretyczną zdolną do przewidywania rzeczywistych wydarzeń z precyzją i dokładnością, podczas gdy naukowcy meteorologowie (eksperci od pogody i atmosfery) stanęli przed inną rzeczywistością.
Prognozy meteorologów dotyczące pogody często zaprzeczają rzeczywistym wydarzeniom.
Ludzie byli w stanie dokładnie przewidzieć pozycje planet, księżyców i komet przez setki lat w przyszłości, ale nadal nie są w stanie dokładnie przewidzieć, jaka będzie pogoda pewnego dnia w przyszłości? Czy pada deszcz? Jaka jest temperatura?
Nauka o pogodzie szybko się rozwinęła
Pogoda lub meteorologia zaczęły się rozwijać sto lat temu, kiedy matematyk Lewis Fry Richardson liczył ręcznie przez 6 tygodni, aby przewidzieć następne 6 godzin pogody.
Prognoza pogody zależy od postępów komputera. Dla meteorologów to ogromne osiągnięcie. Dla nas, ogółu społeczeństwa, nie ma to większego znaczenia.
Prognozy pogody ulegały znacznym zmianom przez co najmniej ostatnie 20 lat.
3-dniowa prognoza pogody wykonana dzisiaj jest lepsza niż jednodniowa prognoza pogody, którą zrobili 20 lat temu.
Obecnie meteorolodzy nie mogą działać bez prognoz numerycznych, które wykorzystują równania matematyczne do przewidywania pogody.
Obliczenie tego równania matematycznego wymaga zaawansowanego komputera i wielu danych parametrów fizycznych dostępnych na lądzie, morzu i powietrzu.
W atmosferze znajdują się 2 × 10⁴⁴ (200000000000000000000000000000000000000000000000000) cząsteczek, które poruszają się losowo i próbujemy obliczyć ruchy wszystkich tych cząsteczek, naprawdę mocno.
Miliony danych, które należy gromadzić i przetwarzać
Prognozy krótkoterminowe zależą od temperatury, chmur, opadów, wiatru i ciśnienia powietrza. Długoterminowe prognozy dodają temperatury na lądzie i morzu, prądy oceaniczne, zanieczyszczenie powietrza i wiele innych.
Przewidywanie pogody na jutro wymaga wiele wysiłku. BMKG zbiera codziennie miliony danych obserwacyjnych pobieranych ze stacji lokalnych, a także z balonów meteorologicznych i satelitów.
Przeczytaj także: Dlaczego warto studiować matematykę? Nie kupuj Siomay za pomocą logarytmów, prawda?Jedna stacja pogodowa nie może zebrać tak wielu informacji. Wykorzystuje dużą sieć stacji pogodowych, które gromadzą dane w wielu lokalizacjach w czasie.
Niektóre stacje są zlokalizowane na lądzie i składają się przynajmniej z anemometru do pomiaru prędkości i kierunku wiatru, zbiornika wodnego do pomiaru opadów, hydrotermometru do pomiaru temperatury i wilgotności.
Na oceanie pływa kilka innych stacji, a na boi zainstalowano sprzęt obserwacyjny. Nadal istnieją ruchome stacje, sprzęt obserwacyjny zainstalowany na samolotach i statkach. Do tego satelity pogodowe i balony z radiosondą, aby uzyskać dane z górnych warstw atmosfery.
Wszystkie dane parametrów fizycznych ze wszystkich tych stacji generują ponad 1 milion danych dziennie.
Twój laptop lub komputer nie będzie w stanie przechowywać tych danych, nie mówiąc już o ich przetwarzaniu. Ale meteorolodzy mają super komputery, potężne silniki zdolne do obliczania milionów danych na sekundę.
Super komputer do przewidywania pogody
W Stanach Zjednoczonych są super komputery obsługiwane przez National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Pracując z super-komputerami, mamy ponad 10 000 procesorów pracujących z 2,6 petabajtami danych.
Tam obserwowane dane są przesyłane do superkomputera, który wykorzystuje złożone równania modelowania matematycznego do przewidywania zmian warunków pogodowych w czasie. Wyniki tej superkomputerowej prognozy są następnie transmitowane lub rozpowszechniane publicznie za pośrednictwem telewizji, stron internetowych, aplikacji i innych.
Nie myśl, że ten superkomputer nie może popełniać błędów, nawet przy tak zaawansowanej technologii, ten super-komputer nie jest w stanie sprostać takiemu wyzwaniu, jak przewidywanie pogody.
Zjawiska pogodowe na dużą skalę, z których każdy jest zależny od wielu różnych zmiennych. Na przykład zastanów się, jak promieniowanie słoneczne ogrzeje powierzchnię ziemi, jak różnice w ciśnieniu powietrza będą napędzać wiatry i jak zmiany fazy wody, topnienia i parowania wpłyną na przepływ energii.
Meteorolodzy używają obecnie technologii i technik, które są stale aktualizowane, aby radzić sobie z chaosem, takich jak przewidywanie za pomocą zespołu, który jest oparty na kilku przewidywaniach, z których każda wykorzystuje inny punkt początkowy.
Jeśli wszystkie prognozy w zestawie wyglądają tak samo, przewiduje się, że pogoda będzie normalna. Jeśli istnieją prognozy, które wyglądają uderzająco inaczej, przewiduje się, że pogoda będzie się zmieniać.
Przeczytaj także: Co to jest niesporczaki? Dlaczego dotarłeś na Księżyc?Niestety chaos nadal istnieje, meteorolodzy nigdy nie są w stanie przewidzieć pogody z absolutną pewnością. Bez względu na to, czy będzie burza, tornado, czy ekstremalny deszcz, zawsze przyniesie katastrofę z małym ostrzeżeniem.
Chaos, nieporządek jako natura wszechświata
Małe zmiany dowolnej zmiennej w tych złożonych obliczeniach mogą mieć duży wpływ na przyszłą pogodę. Edwan Lorenz, meteorolog z MIT, nazywa to efektem motyla.
Przedstawiony w ten sposób, trzepot skrzydeł motyla w środku azjatyckiego lasu może spowodować ulewny deszcz w Nowym Jorku.
Jest znany jako ojciec teorii chaosu, naukowej zasady opisującej super złożone systemy, takie jak systemy pogodowe, w których niewielkie zmiany warunków początkowych mogą radykalnie zmienić wynik końcowy.
Z powodu tego chaosu lub nieregularności prognozy pogody są uważane za dokładne. Lorenz wyznaczył ten limit za dwa tygodnie.
Ponadto równania numeryczne wykorzystywane do symulacji atmosfery również podlegają chaosowi, z niewielkimi błędami, które można mnożyć.
Na pogodę w obszarach o dużych szerokościach geograficznych duży wpływ ma spotykający się ruch różnych mas powietrza, na który mają wpływ systemy niskiego ciśnienia. Ruch mas powietrza jest stosunkowo łatwy do przewidzenia, ponieważ porusza się stopniowo.
W międzyczasie na obszarach tropikalnych, takich jak Świat, otrzymuje się dużo energii ze słońca, co sprawia, że aktywność konwekcyjna jest bardziej chaotyczna, przez co trudniej jest przewidzieć.
Chaos w naturze oznacza, że dopóki będziemy przyjmować założenia dotyczące procesów zachodzących w atmosferze, modele zawsze będą mogły popełniać błędy.
Jak można przewidzieć pogodę w przyszłości?
Dane o wysokiej rozdzielczości są wymagane zarówno przestrzennie, jak i czasowo. Potrzebujesz więcej, milionów stacji obserwacji pogody w różnych miejscach.
Na szczęście dzięki dzisiejszemu postępowi technologicznemu stacje meteorologiczne mogą być mniejsze i bardziej mobilne. Ta stacja pogodowa będzie zapewne w domu każdego, a nawet w pojeździe nawet na smartfonie.
Ponieważ gromadzonych jest coraz więcej danych, potrzebne są bardziej zaawansowane i szybsze superkomputery.
Nie ma nic bardziej użytecznego niż nasze własne przygotowanie na pogodę. Jak to się mówi, trzymaj parasolkę, zanim zacznie padać.
Odniesienie
- Dlaczego prognoza pogody zawsze będzie trochę błędna
- Dlaczego naukowiec nie może przewidzieć pogody