Солнечно, местами ливни. Почему прогнозы погоды всегда ошибочны

Подготовка прогноза погоды состоит из множества этапов. Он начинается с глобального "слепка" атмосферы в данный момент времени. Тот отображается на трехмерную сетку точек, которые охватывают весь земной шар и простираются от поверхности до стратосферы (а иногда и выше).

С помощью суперкомпьютера и сложной модели на основе физических уравнений, описывающей поведение атмосферы, эта зафиксированная картина затем продвигается вперед во времени, производя многие терабайты необработанных данных. Затем метеорологи интерпретируют имеющиеся сведенья и превращают их в осмысленный прогноз, который сообщается публике.

На крыльях бабочки

Прогнозирование погоды – крайне сложная задача. Это попытка предсказать нечто непредсказуемое по своей сути. Атмосфера – это хаотическая система: небольшое изменение в одной точке со временем может иметь серьезные последствия в другом месте. Это можно сравнить с эффектом бабочки.

Любой просчет быстро растет и приводит к дальнейшим ошибкам большего масштаба. А поскольку при моделировании атмосферы приходится делать множество предположений, понятно, насколько легко могут появляться оплошности. Лишь избавившись от них полностью можно составить идеальный прогноз. Это искусство постоянно улучшается, и предоставляемые сегодня данные, безусловно, более надежны, чем те, что были до эры суперкомпьютеров.

Самые ранние опубликованные прогнозы в Великобритании относятся к 1861 году, когда офицер Королевского флота Роберт Фицрой начал печатать результаты своих наблюдений в газете Times. Его методы включали составление метеорологических карт с помощью наблюдений из определенного количества точек. Выводы он формировал на основе знаний о развитии погодных условий в прошлом, когда метеокарта была аналогичной. Прогнозы Фицроя зачастую были ошибочными, за что его критиковала пресса.

Большой скачок произошел в прошлом веке с появлением суперкомпьютеров. Первая модель, построенная с их помощью, была намного проще сегодняшних, предсказывала только одну переменную на сетке с шагом более 750 км. Тем не менее, эта работа проложила путь для современного прогнозирования, которое по-прежнему опирается на тот же подход и ту же математику.

За минувшие годы моделей стало больше, они усложнились, учитывают гораздо больше переменных, а шаг глобальной сети сократился до 10 км.

Чтобы понять, насколько высока доля неуверенности в этой работе, следует учесть, что метеорологические центры всегда рассматривают ряд параллельных прогнозов с внесением незначительных изменений в первоначальный "слепок". Масштабы этих изменений увеличиваются, давая специалистам возможность оценить вероятность определенных событий, например, дождя.

Тихая революция

Наступление эры суперкомпьютеров имело решающее значение для развития науки прогнозирования погоды (и, конечно, для предсказания изменений климата). Современная техника способна выполнять тысячи триллионов вычислений в секунду, может хранить и обрабатывать петабайты данных. По данным характеристикам суперкомпьютер Cray, которым пользуется метеорологическая служба Великобритании, примерно сопоставим с миллионом смартфонов Samsung Galaxy S9.

Суперкомпьютер Cray, помогающий британской метеорологической службе

Большая вычислительная мощность позволяет "прогонять" модели с высоким разрешением и включать множество переменных, а также обрабатывать больше входных данных для создания первоначального "слепка", формируя более точную картину атмосферы для построения выводов.

В научной работе, опубликованной в 2015 году в журнале Nature, исследователи назвали нынешние достижения в прогнозировании "тихой революцией". Они утверждают, что сегодня можно предсказать погоду на 5 дней с той же точностью, с которой еще 20 лет назад говорилось лишь о трех днях. Каждое десятилетие мы продвигаемся на сутки.

Продолжится ли прогресс в будущем? Отчасти это зависит от развития суперкомпьютеров. Их совершенствование позволит запускать модели с более высоким разрешением и отображать больше атмосферных процессов. Теоретически прогнозирование может развиваться таким путем.

Согласно закону Мура, с 1970-х годов вычислительная мощность удваивается каждые два года. Однако в последнее время эти темпы замедлились, поэтому для достижения прогресса в будущем могут потребоваться другие подходы. Например, повышение эффективности моделей.

Да или нет

Так сможем ли мы когда-нибудь предсказывать погоду со стопроцентной точностью? Если вкратце, то нет. В атмосфере случайным образом движется 2,0×10^44 (200 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) молекул. Попытка отобразить их всех выглядит немыслимой. Хаотический характер погоды подразумевает, что всегда существует вероятность возникновения ошибки.

Улучшение моделирования позволит делать более реалистичные предположения, а более мощные суперкомпьютеры дадут возможность добавлять все больше деталей. Однако в самой основе прогнозирования погоды всегда будет заложена необходимость в допущениях. Будущее данной сферы выглядит ясным, но как близко мы подойдем к идеальному прогнозу, пока неизвестно.

По материалам The Conversation