KS Akademia Młodych Olimpijczyków
Warto wiedzieć:
O tym, z jak dużym wyprzedzeniem prognozować pogodę i gdzie można znaleźć jej najbardziej wiarygodną prognozę, a także dlaczego prognozy w Stanach Zjednoczonych sprawdzają się częściej niż w Polsce opowiada kierownik Zakładu Fizyki Atmosfery Instytutu Geofizyki UW, prof. Szymon Malinowski.
„Numeryczne prognozy pogody istnieją od czasu, kiedy jesteśmy w stanie zapisać prawa rządzące przepływami atmosferycznymi i wyrazić je w postaci równań fizycznych” – przypomniał ekspert w czasie wykładu „Czy to się daje przewidzieć? Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość numerycznych prognoz pogody i klimatu”.
Dodał, że pierwszą osobą, która skompletowała równania dynamiki atmosfery był Wilhelm Bierkens. „Jego równania opisują, jakie siły działają na elementy powietrza i dzięki nim można rozwiązać układ zmiennych takich jak prędkość, ciśnienie, temperatura w atmosferze” – powiedział geofizyk. Jednak same układy równań nie wystarczą, żeby obliczyć pogodę. „Jedną rzeczą jest napisać ten układ równań, a czymś zupełnie innym – zabrać się za ich rozwiązywanie. Rozwiązania wcale nie muszą być bowiem jednoznaczne” – podkreślił.
To Richard Frey Richardson odkrył sposób, w jaki podstawiać dane do układów. W jego systemie atmosfera podzielona była na siatkę, w której obliczane były stany atmosfery w danej chwili; stany te służyły jako punkt wyjścia dla obliczeń kolejnych stanów pogody.
„W pomieszczeniu odpowiadającym kuli ziemskiej siedzą rachmistrzowie, odpowiadający różnym długościom i szerokościom geograficznym. Siedzą na kilku poziomach, przyporządkowanym różnym poziomom w atmosferze. Na środku stoi pan, który co jakiś czas mówi: przechodzimy do następnego progu czasowego!
Wtedy rachmistrz z danego punktu bierze od kolegów ze wszystkich stron obok, z góry i z dołu, wartości pól prędkości przepływu, temperatury, czy ciśnienia, wykonuje całkowanie w czasie i oblicza wartości tych pól. W następnym progu czasowym przekazuje je wszystkim sąsiadom. W ten sposób obliczane są wartości pól atmosferycznych, w każdym punkcie” – obrazowo wyjaśniał prof. Malinowski sposób prognozowania pogody lub klimatu według Richardsona.
Dodał, że współczesne numeryczne prognozy pogody działają na podobnej zasadzie, jak „rachmistrzowie”, choć w modelach uwzględnia się o wiele więcej dodatkowych czynników pogodowych, a do obliczeń używa się komputerów. „Typowy model przepływów atmosferycznych to jest od stu do tysiąca osobolat pracy. Nie ma ani jednej osoby, która rozumiałaby wszystkie jego elementy” – podkreślił.
Komputery i szczegółowe modele nie rozwiązały jednak wszystkich problemów. „Nauczyliśmy się zapisywać i rozwiązywać równania, ale są duże trudności, żeby zasilić je danymi. Wyobraźmy sobie, że mamy model idealny, w którym wszystkie procesy, które dzieją się w rzeczywistości są zapisane w postaci równań.
Powiedzmy jest to gra, „Simcity” I ta gra idealnie oddaje wszystkie prawa, jakie rządzą rozwojem miasta. Nawet korzystając z takiej idealnej gry bardzo trudno jest odtworzyć rozwój Warszawy i obliczyć, jak miasto się będzie rozwijać. Tak samo, jeśli nie wiemy, jak zanurzyć rzeczywistość w modelu, to nie wiemy też, jak zrobić prognozę pogody. Musimy nauczyć się tłumaczyć to, co wiemy o świecie na język równań” – wyjaśniał prelegent.
Zwrócił przy tym uwagę, jak małą liczbą danych dysponują polscy specjaliści.
„W Polsce mamy 50 stacji meteorologicznych, które co godzinę robią pomiary w różnych miejscach i dodatkowo 2 razy na dobę z 3 stacji wypuszczamy balony meteorologiczne, które płyną z wiatrem i z grubsza mierzą, co się dzieje.
Musimy tą małą liczbą danych zasilić model tak, żeby jego ewolucja nadążała za tym, co się dzieje w rzeczywistości. Do tego mamy niedoskonałe przyrządy i nasza informacja odbiega od stanu rzeczywistego. Jeśli wpuścimy te dane do modelu, to obserwacja jest (jedynie-PAP) w pobliżu prawdziwego przebiegu zdarzeń. Za kilka godzin – następna. Jak zasilić model, żeby nadążał za rzeczywistością?” – powiedział naukowiec.
Przypomniał, że – jak odkrył Edward Lorenz – równania układów pogodowych są nadzwyczaj czułe na warunki początkowe, choć początkowo wyniki są zbliżone do rzeczywistego przebiegu zdarzeń, w dalszych etapach stawać się mogą ekstremalnie różne. Dane wstępne różniące się o tysięczne ułamków mogą doprowadzić do kompletnie różnych wyników. Tak więc, skoro ani modele, ani pomiary nie są idealne, nie można mieć pewnych prognoz pogody.
„To, co można zobaczyć w telewizji, prezentowane jako jedna jedyna prognoza, to tylko rozwiązanie najbardziej prawdopodobne” – podkreśliła prof. Malinowski. Jak tłumaczyła, wyników prognoz jest jednak wiele. Mogą one być przedstawiane jako tzw. wiązka prognoz, która rozchodzi się z punktu wejściowego. Na jej podstawie można odtworzyć rozkład prawdopodobieństw różnej pogody i stwierdzić, jaka prognoza jest możliwa, a jaka nie pojawia się w żadnym z rozwiązań.
Ekspert zaznaczył jednak, że są miejsca na mapie, gdzie wszystkie modele, nawet te na sześć dni naprzód, wskazują to samo, a są miejsca, gdzie prognozy pogody kompletnie się rozjeżdżają. Stąd wiadomo, gdzie prognoza ma większą szansę się sprawdzić.
Jeśli mamy miejsce krytyczne, które odpowiada za rozwój niestabilności, można wysłać tam np. samolot, aby wykonał dodatkowe pomiary – mówił ekspert. – To może dać nam kluczową informację, która pozwoli poprawić prognozę. Takie dodatkowe pomiary, czyli targeted observations, stosuje się m.in. w przypadku huraganów.
„Europa jest w dosyć niewdzięcznym miejscu do prognozowania pogody, a Polska – w bardzo niewdzięcznym miejscu. Wynika to z wpływu Oceanu Atlantyckiego. Drugim problemem są Góry Skandynawskie. Współczesne modele słabo radzą sobie z efektami dużego nachylenia terenu” – opisywał prof. Malinowski. Zauważył, że w Stanach Zjednoczonych pogoda jest bardziej stabilna, dlatego tam przewidywania meteorologów sprawdzają się częściej niż w Europie.
Za najwygodniejszy dostęp do wiadomości o pogodzie prof. Malinowski uznał norweską stronę www.yr.no. „To jest chyba jedyne miejsce, w którym wyniki pomiarów z ośrodka naukowego są prezentowane w formie przystępnej dla obywatela” – zachwalał.
„Do planowania weekendu to jest najlepsze możliwe miejsce. Dlaczego warto sprawdzać te pogody, a nie prognozy pogody w radiu czy w telewizji? W TV czy radiu nie zależy na tym, żeby podawać świeże prognozy. Są to prognozy mocno przestarzałe. A przecież te prognozy z czasem zaczynają robić się rozbieżne. Informację świeższą na ogół o 12 a może nawet 18 godzin znaleźć można na norweskiej stronie. Tam dane są zmieniane co 6 godzin” – dodał naukowiec.
Źródło: PAP – Nauka w Polsce, www.naukawpolsce.pap.pl (za www.ekologia.pl)