Jak dokładnie możemy przepowiadać pogodę?
Nie wiem, czy Czytelnik to zauważył, ale wydaje mi się, że prognozy pogody bardzo się ostatnio poprawiły. Wielkie burze, które zazwyczaj nadchodzą niespodziewanie i obejmują duże obszary kraju, są teraz rutynowo przewidywane na kilka dni naprzód. Nawet codzienne prognozy wydają się dokładniejsze – ile razy w ciągu ostatnich lat złapał nas niespodziewany deszcz?
Historycznie rzecz biorąc, przewidywanie pogody uznawane było w najlepszym razie za nieprecyzyjną sztukę. Właściwie tak na dobre rozpoczęło się w połowie XIX wieku, gdy dzięki telegrafowi możliwe stało się zbieranie informacji o pogodzie z dużych obszarów. Aż do lat 50. naszego wieku przewidywania były całkowicie oparte na praktyce i przeszłości. Istniały wtedy wielkie księgi zapisów sekwencji stanów pogodowych – przepowiadający pogodę spoglądał w te księgi w poszukiwaniu sytuacji podobnych do widocznych na mapach pogody i prognozował, że jeżeli przedtem coś się zdarzyło, to powinno zdarzyć się znowu.
Wiele opowieści ludowych związanych z pogodą opartych jest na tego rodzaju logice. Gdy hodowałem pszczoły w środkowej Wirginii, miałem własną metodę. Notowałem jesienią dzień, w którym pszczoły wyrzucały z ula trutnie. Im wcześniej były one wypędzane, tym sroższa zapowiadała się zima. Zdaje się, że nic nie jest aż tak głupie, by nie mogło służyć do przepowiadania pogody!
W 1950 roku po raz pierwszy dostępne stały się komputery zdolne do rozwiązywania złożonych równań, opisujących ruchy atmosfery. Zamiast mieć jedynie nadzieję, że pogoda powinna zachowywać się tak jak w przeszłości, naukowcy mogli użyć praw fizyki i chemii do przewidywania tego, co się powinno stać. Od drugiej połowy naszego wieku zaczęliśmy obserwować ciągły postęp w zasięgu i dokładności komputerowych przewidywań.
Z prognozami komputerowymi związane są jednak dwa podstawowe problemy. Jeden polega na tym, że do niedawna nie było nigdy wystarczającej ilości informacji mogących stanowić dane wejściowe dla programów. Temperatury i prędkości wiatru znane były jedynie w niewielu, rozrzuconych na znacznym obszarze, miejscach (na przykład na lotniskach), co nie dostarczało komputerom danych odpowiedniej jakości do poczynienia dokładnych przewidywań. Dzisiaj, dzięki rozległej sieci stacji naziemnych i obserwatoriów satelitarnych, mamy dostęp do o wiele lepszych danych, przynajmniej w świecie uprzemysłowionym.
Drugi problem jest bardziej fundamentalny i wydaje się nierozerwalną częścią układów atmosferycznych. Wiążę to z faktem, że ruchy atmosfery mogą być chaotyczne. Najlepiej uzmysłowić to sobie w kategoriach słynnego „efektu motyla”, nazwanego tak, ponieważ (przynajmniej w zasadzie) atmosfera jest tak czuła, że motyl trzepoczący skrzydełkami w Kalkucie mógłby zapoczątkować łańcuch zdarzeń wywołujący w konsekwencji burzę deszczową w Rio.
W praktyce chaotyczne zachowanie atmosfery oznacza, że bardzo trudno jest tworzyć prognozy długoterminowe. Jeśli na przykład budujemy prognozę siedmiodniową, opartą na układach pogodowych z godziny 6 po południu, a następnie opartą na układach z godziny 9 wieczorem, te dwa przewidywania mogą się różnić, ponieważ startowaliśmy z dwóch różnych punktów. Nie jest to problem, który można rozwiązać za pomocą lepszych programów komputerowych – stanowi nieodłączną cechę atmosfery ziemskiej. Z tego powodu państwowa służba meteorologiczna (NWS – National Weather Service) do 1995 roku skłonna była podawać szczegółowe prognozy jedynie na trzy do pięciu dni naprzód.
Jednakże w 1996 roku NWS zaczęła rozszerzać te prognozy do siedmiu dni, z pewnymi nadziejami na przekroczenie i tego progu. Nowe prognozy oparte są na nowocześniejszej technice. Zamiast poszukiwać superdokładnego wyniku programu komputerowego z najlepszymi dostępnymi danymi, naukowcy uruchamiają ten sam program wielokrotnie, zmieniając czas rozpoczęcia lub czyniąc niewielkie zmiany w warunkach początkowych. Zamiast robić przewidywania oparte na przykład na warunkach z 18.00 czy 21.00, uruchamiają obydwa. Procedura NWS wymaga ogółem czterdziestu sześciu różnych przebiegów programu. Jeśli wszystkie z nich na przykład przewidują deszcz, przyjmuje się, że będzie padać. Pomysł polega na tym, że te właściwości pogody, które występują w większości lub we wszystkich przebiegach programu, są właściwościami raczej samego układu meteorologicznego niż warunków początkowych pojedynczego przebiegu. Technika ta, zwana „uśrednianiem po ansamblu”, to praktyczny sposób czerpania użytecznych informacji z układów chaotycznych.
Podobne próby czyni się również w przypadku długoterminowych prognoz klimatycznych, które teraz NWS przygotowuje co najmniej na piętnaście miesięcy naprzód. Dla tych prognoz nie uśrednia się wielokrotnych przebiegów tych samych programów z różnymi danymi startowymi, lecz wyniki trzech nieco różniących się programów, z których każdy stara się opisać pewien aspekt długoterminowych zmian klimatu. I znów, jeśli wszystkie trzy podejścia dają to samo przewidywanie, przyjmuje się, że przewidywanie to wynika raczej z podstawowej dynamiki atmosfery niż ze szczegółowych metod analizy.
Tak więc w ciągu kilku następnych lat możemy spodziewać się rozstrzygnięcia, czy prognozy NWS stały się w końcu dokładniejsze od rozkładu jazdy autobusu.