Předpověď počasí nikdy nebude 100% přesná pro tento vědecký důvod

Věda o předpovědi počasí spadá každý den na veřejnou kontrolu. Když je prognóza správná, jen zřídkakdy komentujeme, ale často se rychle stěžujeme, když je prognóza špatná. Jsme někdy schopni dosáhnout dokonalé prognózy, která je přesná na hodinu?

Při přípravě předpovědi počasí existuje mnoho kroků. Začíná svůj život jako globální „snímek“ atmosféry v daném čase, mapovaný na trojrozměrnou mřížku bodů, které pokrývají celý svět a táhnou se od povrchu ke stratosféře (a někdy i vyšší).

S použitím superpočítače a sofistikovaného modelu, který popisuje chování atmosféry fyzikálními rovnicemi, je tento snímek poslán vpřed v čase a vytváří mnoho terabajtů surových dat prognózy. To pak spadá na lidské prognózy interpretovat data a proměnit v smysluplnou prognózu, která je vysílána veřejnosti.

Zda v počasí

Předpověď počasí je obrovská výzva. Pro začátek se pokoušíme předpovědět něco, co je ve své podstatě nepředvídatelné. Atmosféra je chaotický systém - malá změna stavu atmosféry na jednom místě může mít časem pozoruhodné následky jinde, což byl jeden vědec analogizován jako tzv. Motýlový efekt.

Jakákoli chyba, která se vyvíjí v prognóze, rychle roste a způsobí další chyby ve větším měřítku. A protože při modelování atmosféry musíme udělat mnoho předpokladů, je jasné, jak snadno se mohou vyvinout chyby prognóz. Pro perfektní předpověď bychom museli odstranit každou jednotlivou chybu.

Prognóza dovedností se zlepšuje. Moderní předpovědi jsou jistě mnohem spolehlivější, než tomu bylo před érou superpočítače. Nejdříve publikované prognózy Spojeného království se datují do roku 1861, kdy důstojník Royal Navy a nadšený meteorolog Robert Fitzroy začal v The Times zveřejňovat prognózy.

Jeho metody zahrnovaly kreslení meteorologických map pomocí pozorování z malého počtu míst a vytváření předpovědí založených na tom, jak se v minulosti vyvinulo počasí, když byly grafy podobné. Ale jeho předpovědi byly často špatné a tisk byl obvykle rychle kritizován.

Velký skok kupředu byl dělán když superpočítače byly představeny k komunitě předpovídání v padesátých létech. První počítačový model byl mnohem jednodušší než dnešní, předpovídal jen jednu proměnnou na mřížce s rozestupem přes 750 km.

Tato práce připravila půdu pro moderní předpovědi, jejíž principy jsou stále založeny na stejném přístupu a stejné matematice, i když dnes jsou modely mnohem složitější a předpovídají mnohem více proměnných.

Předpověď počasí obvykle sestává z několika cyklů počasí. Provozní meteorologická centra obvykle provozují globální model s roztečí mřížek kolem 10 km, jehož výstup je předán modelu s vyšším rozlišením běžícím přes místní oblast.

Chcete-li získat představu o nejistotě v prognóze, mnoho meteorologických center také provozuje řadu paralelních prognóz, z nichž každý má mírné změny v počátečním snímku. Tyto malé změny rostou v průběhu prognózy a dávají odhadcům odhad pravděpodobnosti něčeho, co se děje - například procentuální šance, že prší.

Budoucnost prognóz

Věk superpočítačů byl klíčový pro to, aby se věda o předpovědi počasí (a předpovědi klimatu) mohla rozvíjet. Moderní superpočítače jsou schopny provádět tisíce bilionů výpočtů za sekundu a mohou ukládat a zpracovávat petabyty dat. Superpočítač Cray ve společnosti Met Office ve Velké Británii disponuje výkonem a ukládáním dat přibližně milionu smartphonů Samsung Galaxy S9.

To znamená, že máme zpracovatelský výkon pro spuštění našich modelů s vysokým rozlišením a zahrnutí více proměnných do našich prognóz. To také znamená, že můžeme zpracovat více vstupních dat při generování našeho počátečního „snímku“, čímž se vytvoří přesnější obraz atmosféry, se kterým se spustí prognóza.

Tento pokrok vedl ke zvýšení předpovědi dovedností. Čistá kvantifikace byla prezentována v a Příroda studie z roku 2015 Petera Bauera, Alana Thorpeho a Gilberta Bruneta, popisující pokrok v předpovědi počasí jako „tichou revoluci“.

Ukazují, že přesnost pětidenní prognózy je v současnosti srovnatelná s třídenní prognózou před přibližně 20 lety, a že každé desetiletí získáváme asi denní hodnotu dovedností. Dnešní tři denní předpovědi jsou v podstatě stejně přesné jako předpovědi dvou dnů před deseti lety.

Je pravděpodobné, že tento nárůst dovedností bude pokračovat i v budoucnu? To částečně závisí na tom, jaký pokrok můžeme dosáhnout pomocí superpočítačové technologie. Rychlejší superpočítače znamenají, že naše modely můžeme provozovat s vyšším rozlišením a představují ještě více atmosférických procesů, což teoreticky vede k dalšímu zlepšení dovedností prognózy.

Podle Moorova zákona se náš výpočetní výkon od sedmdesátých let zdvojnásobuje každé dva roky. To se však v poslední době zpomaluje, takže k dosažení budoucího pokroku mohou být zapotřebí další přístupy, například zvýšení výpočetní efektivity našich modelů.

Takže budeme někdy schopni předpovědět počasí se 100% přesností? Stručně řečeno, ne. Tam jsou 2 × 10⁴⁴ (200,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000) molekuly v atmosféře v náhodném pohybu - snažit se reprezentovat je všechny by bylo nepochopitelné. Chaotická povaha počasí znamená, že pokud budeme muset učinit předpoklady o procesech v atmosféře, vždy existuje potenciál, aby model vyvinul chyby.

Pokroky v modelování počasí mohou tyto statistické reprezentace vylepšit a umožnit nám realističtější předpoklady a rychlejší superpočítače nám mohou umožnit přidat více podrobností nebo rozlišení do našich modelů počasí, ale v centru prognózy je model, který bude vždy vyžadovat některé předpoklady.

Dokud však bude výzkum těchto předpokladů zlepšen, budoucnost předpovědi počasí vypadá jasně. Jak blízko se můžeme dostat k dokonalé prognóze, však ještě zbývá vidět.

Tento článek byl původně publikován na Konverzaci Jon Shonk. Přečtěte si originální článek zde.