Jak powstaje pogoda i jak dokładnie możesz ją przewidzieć?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Prognozy obiecują słoneczny dzień, a za oknem zamieć. Nieścisłości w prognozach są związane zarówno z szybko zmieniającymi się warunkami środowiskowymi, jak i globalnymi przemianami klimatycznymi. Niemniej jednak współcześni meteorolodzy dokonali przełomu w prognozowaniu, dziś wykorzystuje się do tego algorytmy matematyczne, powstają nowe metody i narzędzia do badania aktualnych warunków pogodowych.

O tym, jak dziś bada się zjawiska przyrodnicze i czy w przyszłości uda się stworzyć idealnie dokładne prognozy, można było łatwo przeczytać w amerykańskim magazynie popularnonaukowym Discover. T&P dostosował artykuł i przetłumaczył go.

Jak powstaje pogoda?

Warstwa atmosfery Ziemi składa się głównie z azotu, tlenu i pary wodnej. Powietrze to zachowuje się jak ciecz i przepływając z miejsca na miejsce zmienia temperaturę, wilgotność i inne cechy. Pogoda jest produktem ubocznym atmosfery, która przenosi ciepło z jednego miejsca do drugiego.

Chłodniejsze powietrze jest gęste i nie może pomieścić dużej ilości wilgoci; cieplejsze powietrze jest mniej gęste i może pomieścić więcej wody. Kiedy zderzają się obszary powietrza o różnej temperaturze i gęstości, pojawia się deszcz, ponieważ woda powstaje ze schłodzonego ciepłego powietrza. Mogą wystąpić inne opady. Gdy ciepłe, wilgotne powietrze unosi się w górę, ochładza się, a woda kondensuje na zawieszonych w powietrzu cząsteczkach. Rosnące krople stają się cięższe, a następnie spadają na Ziemię.

Huragan powstaje, gdy woda morska nagrzewa się powyżej 27 ℃ i szybko odparowuje, a powietrze nad oceanem staje się ciepłe i podnosi się. Na jego miejsce napływają strumienie zimnego powietrza, które również nagrzewają się i unoszą. Ruchy te tworzą silne wiatry, powstaje huragan.

Jak wcześniej badano zjawiska naturalne

Naukowe obserwacje pogody rozpoczęły się w okresie renesansu, kiedy wynaleziono barometry i termometry. Starożytni uczeni europejscy, tacy jak Galileo, wykorzystywali te narzędzia do wyjaśniania zjawisk pogodowych.

Jednak wczesne przewidywania były ograniczone i opierały się jedynie na założeniu, że przeszłość determinuje przyszłe zachowanie.

„Jeśli dziś w Kansas jest burza, a następnego dnia w Missouri, można powiedzieć, że następnego dnia nadejdzie ona do Illinois” - wyjaśnia Bob Henson, meteorolog i autor Weather Underground.

Metoda ta sprawdza się w stałych warunkach – gdy burza stopniowo się przesuwa lub gdy lokalny klimat nie zmienia się zbytnio z dnia na dzień (np. w południowej Kalifornii).

Jednak ta prosta metoda nie uwzględnia zmieniających się warunków: na przykład burze powstają szybko w wyniku konwekcji (przemieszczanie się objętości powietrza z jednej wysokości na drugą, z powodu siły Archimedesa - wyd.). Na szczęście istnieją nowe sposoby przewidywania pogody w dzisiejszym świecie. Prognozy nie są tworzone przez ludzi patrzących na mapy i wczorajsze wzloty i upadki, są one tworzone przez maszyny.

Aktualne prognozy pogody

Meteorolodzy wykorzystują numeryczne prognozy pogody, wprowadzając dane o aktualnych warunkach pogodowych. Następnie są przetwarzane w modelu komputerowym. Im bardziej trafne i dokładne informacje zostaną wprowadzone, tym dokładniejsza będzie prognoza. Aby uzyskać te dane, wykorzystywane są instrumenty, takie jak balon meteorologiczny, samoloty, satelity i boje oceaniczne.

Wzorce pogodowe dzielą region, stan, a nawet cały glob na komórki. Ich wielkość wpływa na dokładność prognozy. Duże prostokąty trudniej zobaczyć, co dzieje się na małych obszarach, ale dają ogólny obraz trendów pogodowych w czasie. Ta ogólna prognoza jest potrzebna na przykład w celu określenia ruchu burzy.

Małe komórki o wyższej rozdzielczości umożliwiają prognozowanie w krótszym okresie - od jednego do dwóch dni - i obejmują tylko określony obszar. Niektóre modele mogą skupiać się na określonych danych, takich jak prędkość wiatru, temperatura i wilgotność. Dlatego dwa modele komputerowe mogą dawać nieco różne wyniki nawet przy dokładnie takich samych obserwacjach początkowych.

Czy możliwe są doskonałe przewidywania?

„Modele komputerowe są wystarczające do codziennych prognoz pogody, więc meteorolodzy nie dodadzą tu wiele” – mówi Schumacher, adiunkt nauk o atmosferze na Colorado State University. - Ale to nie znaczy, że ludzie wcale nie są potrzebni. Prognosta potrafi rozpoznać nieścisłości w danych odtwarzanych przez system komputerowy.”

Opady są znacznie trudniejsze do przewidzenia niż temperatura, mówi Matt Kölsch, hydrometeorolog z Uniwersytetu Atmospheric Research Corporation w Boulder.

„Temperatura to ciągłe pole, jest wszędzie. Opady to pole przerywane, w niektórych miejscach może padać deszcz lub śnieg, ale w innych w ogóle nie będzie.”

Cechy krajobrazu obszaru, takie jak wzgórza, wybrzeże, wpływają na opady, a modele komputerowe nie zawsze uwzględniają to. Kölsch mówi, że meteorolog jest potrzebny do sporządzania prognoz na 24 do 36 godzin. Przewidywanie sytuacji o dużym wpływie, takich jak huragany, tornada i powodzie, jest trudniejsze i wymaga zarówno zasobów ludzkich, jak i systemów komputerowych.

Od lat pięćdziesiątych szybkie komputery stają się coraz dokładniejszymi przewidywaniami. Według National Oceanic and Atmospheric Administration dzisiejsza pięciodniowa prognoza jest dokładna w około 90% przypadków.

Prognoza 7-dniowa okazuje się poprawna w 80% przypadków, a 10-dniowa w 50%

Obecnie pięciodniowa prognoza dotycząca huraganu jest bardziej wiarygodna niż czterodniowa prognoza z początku XXI wieku i trzydniowa prognoza z lat 90. XX wieku. W artykule opublikowanym w Nature z 2015 r. stwierdzono, że prognozy na trzy do dziesięciu dni poprawiły się o około jeden dzień na dekadę, co oznacza, że aktualna prognoza sześciodniowa jest tak samo dokładna jak pięciodniowa prognoza sprzed 10 lat.

Niestety duże zmiany klimatyczne komplikują proces prognozowania. Żartuje się, że trzepoczący motyl w Hongkongu może zmienić pogodę w Nowym Jorku. Pomysł ten został przedstawiony w 1972 roku przez matematyka i meteorologa Edwarda Lorenza. „Efekt motyla” polega na tym, że drobne zmiany mogą mieć ogromny wpływ na rozwój całego systemu.

W praktyce oznacza to, że jeden model komputerowy, uruchamiany więcej niż jeden raz, nawet przy najmniejszych różnicach w aktualnych warunkach, może dawać różne predykcje. Z tego powodu potencjalny limit prognozowania wynosi około 14 dni, mówi Bob Henson.

„Lorenz w zasadzie powiedział, że nie da się przewidzieć wzorców pogodowych na dłużej niż dwa tygodnie, ponieważ te małe skrzydełka motyla i niezliczone inne drobiazgi doprowadzą do dużych zmian”, mówi Henson.

Meteorolog Judt jest przekonany, że ludzkość nigdy nie jest w stanie przewidzieć burzy z wyprzedzeniem większym niż kilka godzin, bez względu na to, jak dobre są obserwacje.

„W przypadku huraganów i burz, które są znacznie silniejsze (a zatem łatwiejsze do wykrycia z wyprzedzeniem), okres ten może wynosić od dwóch do trzech tygodni”, mówi.

Dokonując prognozy, meteorolodzy uwzględniają niepewności, stosując kilkakrotnie model matematyczny. Jednocześnie da nieco inny wynik, ale większość z nich będzie podobna. Najczęstsze z nich to efekt końcowy.