Пределы точности прогнозирования погоды оказались больше, чем ожидалось

Фото из открытых источников

Новое исследование ставит под сомнение давно устоявшиеся представления о прогнозировании погоды и вычисляет, на какой срок в будущее теоретически могут быть сделаны прогнозы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advances in Atmospheric Sciences.

Если вы посмотрите прогноз погоды на две недели вперед, то поймете, что возможности любой метеорологической модели здесь на пределе. На протяжении десятилетий метеорологи считали этот предел почти законом природы. Новое исследование оценивает теоретический предел примерно в 129 дней, что составляет чуть более четырех месяцев.

Исходя из этого, сегодняшний двухнедельный прогноз отражает скорее состояние наших приборов, чем качество воздуха. Авторы пришли к этому выводу, не проводя ни одного прогноза, а исходя из количества энергии, содержащейся в атмосфере, и скорости её замещения солнечным светом.

Работу возглавил Вэй Чжан, специалист по климатологии из Школы Розенстила при Университете Майами и Кооперативного института морских и атмосферных исследований NOAA. Соавтор исследования Золтан Тот представлял Лабораторию глобальных систем NOAA.

Синоптики расширили полезный диапазон ежедневных прогнозов погоды до более чем 10 дней, и этот диапазон увеличивается примерно на один день каждые десять лет. Двое из авторов этого исследования проследили этот темп в более ранней статье о прогнозах траектории ураганов.

Вопрос о том, где заканчивается эффект от использования электронных устройств и насколько далеко вперед вообще можно предсказывать погоду, обсуждается с 1960-х годов.

Эдвард Лоренц, который выяснил, как крошечное различие в начальных условиях модели приводит к совершенно иному результату, предложил несколько недель. Позже он написал, что эта оценка «является весьма спекулятивной».

Современные модели прогнозирования, используемые исследователями, неизменно приводят к одному и тому же результату. Они корректируют начальное состояние модели в 10-100 раз, уменьшая неопределенность в этой модели, а затем наблюдают за тем, как быстро растет разница. В результате получается максимум еще два-пять дней.

Все эти ответы зависят от одного и того же, чего никто никогда не видел.

«Как мы можем утверждать, что способны делать, например, точные прогнозы на очень длительный срок, не имея возможности это продемонстрировать?» — сказал Чжан.

По его словам, ошибки такого малого размера никогда ранее не наблюдались, и ни теория, ни моделирование не могут точно определить, как они проявляются. Тот сказал, что команда хотела получить иной взгляд на проблему.

Начнём с невозможного варианта. Если бы вы знали точное состояние атмосферы в определённый момент времени, и уравнения, описывающие её изменения, тоже были бы точными, прогноз никогда бы не изменился. Завтрашний день стал бы продолжением сегодняшнего, и так будет всегда.

Попадание солнечного света вносит неопределенность. Все процессы в воздухе происходят за счет энергии солнца, которая поступает в виде фотонов — отдельных пакетов, составляющих свет. Каждый из них содержит мельчайшие детали, обусловленные условиями внутри звезды, находящейся за миллионы миль от нас, и команда рассматривала эти детали как недоступные для изучения с нашего места.

Поначалу эти фотоны воздействуют лишь на мельчайшие движения в воздухе, на перемешивание, происходящее на глубине около 1 сантиметра. Но атмосфера не удерживает масштабы. Энергия переходит от крошечных вихрей к более крупным, затем к локальным погодным явлениям и, наконец, к структурам, охватывающим континенты. К тому моменту, когда прогноз, основанный на идеальном снимке, достоверен, от него ничего не останется.

Авторам были необходимы два измеренных показателя, и у ученых оба были уже несколько десятилетий. Оба получены из энергетического баланса атмосферы — текущего учета того, что планета поглощает от Солнца и что она возвращает в космос.

Один из показателей — это полная энергия атмосферы, которая включает в себя всё: тепло в воздухе, движение ветра, водяной пар, ожидающий конденсации, и высоту воздуха над землёй. Это составляет примерно 2,45 миллиарда джоулей на каждый квадратный метр планеты.

Другой фактор — скорость замещения солнечной энергией. Примерно 340 ватт на квадратный метр достигают верхних слоев атмосферы. Облака и ярко освещенная поверхность земли отражают значительную часть этого тепла обратно в космос, а тонкий слой тепла, поднимающегося от поверхности, выходит через щель в атмосфере, не нагревая ничего.

Всё, что остаётся, поднимает пыль в воздухе, и это составляет около 220 ватт. Представьте себе чуть больше двух старых 100-ваттных лампочек, освещающих участок площадью 1 квадратный метр днём и ночью. Разделив, можно получить цифру в 129 дней, плюс-минус неделя.

Согласно определению авторов, сегодняшние прогнозы остаются актуальными примерно 14 дней, что оставляет примерно 115 из 129 невостребованных. Оставшуюся часть они делят пополам. Предполагаемая продолжительность периода составляет около 57 дней. Точность пятидневного прогноза сегодня подтвердилась бы на 62-й день.

Второй участок имеет гораздо меньшее значение. Он окажется в самом конце прогноза, проявляясь в виде слабых колебаний в самых крупных и медленных воздушных потоках, а эти потоки мало влияют на то, будет ли дождь в вашем городе.

Авторы предполагают, что этот участок будет служить скорее специалистам, чем широкой публике. Даже лучшая половина значительно превышает последние оценки. Показатель за 57 дней примерно в десять раз больше, чем позволяют данные моделирования.

Это расчет, а не эксперимент, и условия его проведения идеальны. Авторы исходят из безупречной модели, безупречной исходной картины и точного знания того, что произойдет с океаном и сушей в дальнейшем.

Единственная проблема заключается в неизвестных деталях падающего солнечного света.

Обе цифры по энергии несколько занижены. Неопределенность в отношении общей энергии атмосферы была установлена на основе субъективной оценки, а не измерений, и оказалась несколько шире, чем разрыв между двумя опубликованными оценками.

Они также ограничились одним видом прогнозирования — прогнозом максимальной температуры во вторник в конкретном месте. Сезонный прогноз основывается на более медленных процессах, в основном на температуре океана, и этот вариант они отложили в сторону.

Команда Чжана уже проводит отдельные расчеты для проверки этой цифры, которая, по словам авторов, нуждается в независимой проверке.

Исследователи по-прежнему не могут наблюдать за поведением ошибок меньшего размера, чем сегодняшние, и этот подход скорее обходит этот пробел, чем закрывает его.

Удастся ли синоптикам когда-нибудь добиться увеличения количества недель прогнозирования, зависит от усовершенствованных инструментов и моделей, возможно, включая искусственный интеллект. На данный момент прирост составляет примерно один день за десятилетие.