Как компьютеры моделируют и предсказывают погоду?

Прогноз погоды на протяжении веков играет важную роль в досуге и экономической деятельности. Он определяет, можете ли вы отправиться на пикник или корабли могут безопасно выйти в море.

Но прогнозирование погоды не началось 40 лет назад с передовых компьютеров. Сотни лет назад люди использовали различные ручные методы и расчеты для предсказания погоды, от наблюдения за небом в поисках контрольных признаков шторма до обращения к старым сводкам погоды – и они были довольно точными.

Но теперь все прогнозы погоды оцифрованы, и возникает вопрос: как компьютеры предсказывают погоду?

Компьютеры раньше компьютеров

До появления таких высокоскоростных устройств связи, как телеграф и телефон, было практически невозможно получать актуальные данные о погоде в других местах. Прогнозирование погоды было тем, чем занимались обычные люди, в зависимости от того, что они могли видеть и чувствовать.

Особый оттенок неба, уровень влажности и давление воздуха, которые вы могли ощущать своими суставами, когда все люди должны были предсказать погодные условия на следующий день. Но они были далеки от точности, наполнены суевериями и не могли предсказать дальше, чем на день или два в будущем.

В конце 1800-х – начале 1900-х годов прогнозирование погоды стало более серьезным видом науки. Сети метеослужб смогли обмениваться данными о погоде на больших расстояниях.

Погода не возникает неожиданно. На это влияют условия соседних территорий. Знание погодных условий в близлежащих городах позволяет нам предсказать тип погоды, который мы, вероятно, испытаем.

До появления цифровых компьютеров метеорологи вручную наносили данные о погоде на карты. Затем они будут анализировать данные за длительный период времени в поисках тенденций и закономерностей. Но даже до появления компьютеров у метеорологов были инструменты для сбора атмосферных данных. Например, они запускали метеорологические шары, чтобы получить образцы из более высоких слоев атмосферы.

Рождение эффекта бабочки

Термин «эффект бабочки» впервые был придуман в 1960-х годах метеорологом Эдвардом Лоренцем, хотя другие размышляли на эту тему и раньше.

Лоренц использовал этот термин для описания чувствительности погодных систем. Пересчитывая предыдущие прогнозы погоды, Лоренц был не единственным метеорологом, заметившим нечто странное. Даже малейшее изменение цифр привело к совершенно иному прогнозу погоды.

Изменение числа было настолько незначительным, что он сравнил его с трепещущими крыльями бабочки на одной стороне мира, порождающей сильную бурю на другой.

Компьютеры – лишь одна часть уравнения

Это в названии: вычислить означает вычислить. Когда-то «компьютер» был профессией, на которой люди, разбирающиеся в математике, садились и решали сотни математических задач в день. Вместо этого современные компьютеры автоматизируют процесс с помощью цифровых машин.

Чтобы как можно больше не поддаваться «маслянистому эффекту», современные модели прогнозирования погоды вычисляют цифры и выдают результаты с высокой степенью точности. Но даже этого недостаточно, чтобы победить погоду.

Современные модели прогнозирования погоды могут предсказывать погоду на пять дней в будущем с точностью 90 процентов. После этого точность значительно снижается. Он достигает 80 процентов для семидневных прогнозов и около 50 процентов для любых будущих прогнозов.

Как компьютеры предсказывают погоду

Компьютерная модель – это набор инструкций, которым компьютер следует для создания симуляции реальной особенности или явления. Современные модели прогнозирования погоды – это программное обеспечение, которое анализирует данные о погоде, чтобы предсказать особенности. Они работают так же, как компьютеры предсказывают периодические взлеты и падения фондового рынка.

Чтобы знать, что произойдет в будущем, вам нужно знать, что было раньше и что происходит сейчас. Прогноз погоды начинается не с компьютеров, а с данных. Метеорологи собирают данные, используя одновременно множество инструментов по всему миру.

Они используют флюгеры для измерения скорости ветра, термометры для измерения температуры, барометры для давления и гигрометры для влажности.

Все эти данные затем внедряются в различные компьютерные модели для анализа и сравнения с предыдущими данными и расчетами. Но нет единой модели для предсказания погоды. Различные модели ориентированы на определенные области погодной системы и работают в тандеме с другими моделями, чтобы создать полную картину.

Климатические модели

Климатические модели в основном отвечают за прогнозирование изменений климата Земли или региона. Климат – это средние погодные условия в целом, а не погодные условия на день или два.

Мезомасштабные модели

Мезомасштабные компьютерные модели анализируют области в масштабе около 20 км. Они анализируют данные только из относительно близких областей и используют их для прогнозирования местной погоды на ближайшие несколько дней.

Статистические модели

Статистические модели больше ориентированы на анализ данных, чем на моделирование погоды. Они смотрят данные десятилетней давности и предсказывают погоду. Средние температуры и погодные условия в одном и том же месте и в одном месте также вносят свой вклад в прогноз.

Хорошо продуманное моделирование атмосферы

Данные, собранные с помощью метеорологических инструментов, наряду с различными моделями прогноза погоды, воплощаются в цифровом моделировании земной атмосферы. Время ускорено в моделировании, чтобы выявить приблизительные погодные условия в ближайшие дни в глобальном масштабе.

Но смоделировать всю атмосферу Земли непросто. Чтобы получать частые и точные прогнозы, метеорологические центры используют суперкомпьютеры вместо обычных.

В идеале они способны выполнять более 14 000 триллионов вычислений в секунду. Но даже после того, как результаты все еще приблизительны. Затем результаты анализируются командой высококвалифицированных метеорологов для интерпретации и подтверждения с точностью 90%, но никогда не 100%.

При моделировании необходимо учитывать не только физику атмосферы, но и динамику Земли. Ученые используют уравнения физики для моделирования атмосферных процессов и взаимодействия различных погодных условий. Моделирование в целом также учитывает вращение Земли и то, как оно влияет на погодные условия по всему земному шару.

Будущее прогнозирования погоды

Прогноз погоды перешел от простого предсказания погоды на пару дней в будущее до полного предсказания с высокой точностью примерно через 100 лет. Но есть еще много возможностей для улучшения.

Для лучшего прогнозирования метеорологам нужны три вещи; более глубокое понимание земной атмосферы, более точные и частые атмосферные данные и мощные компьютеры, которые могут анализировать и обрабатывать их во времени. Все это в ближайшем будущем.