Prognozowanie pogody to bardzo skomplikowana sprawa. Prognozy numeryczne wyliczane przez superkomputery są dokładne mniej więcej na najbliższe 60–72 godz., maksymalnie do trzech dni. Potem ich dokładność gwałtownie spada, czyli prognozowane wartości są obarczone coraz większym błędem.
Prognozy na więcej niż siedem dni są już bardzo niepewne. Wskazują możliwy kierunek rozwoju sytuacji, ale nie należy ich traktować zbyt poważnie. Dlaczego?
Dla systemów chaotycznych (a takim jest stan atmosfery, czyli pogoda) charakterystyczne jest to, że nawet bardzo drobna zmiana początkowych parametrów sprawia, iż późniejsze obliczenia mocno się od siebie różnią. Stąd i nazwa takich systemów – drobna różnica wprowadza czasem chaos.
Marzenia o idealnej prognozie pogody
Początki numerycznych prognoz pogody opisywał w „Polityce” Andrzej Hołdys, wspomniał urodzonego w 1881 r. Lewisa Fry′a Richardsona, który „był meteorologiem, wizjonerem, ale przede wszystkim matematykiem. Marzył o wynalezieniu idealnej metody przewidywania pogody”. Na początku lat 20. XX w. Richardson napisał „Weather Prediction by Numerical Process” (czyli „Prognozowanie pogody za pomocą procesów obliczeniowych”). W tym dwustustronicowym dziele zaproponował pokrycie globu siatką 2 tys. obserwatoriów meteorologicznych. Dane z nich trafiałyby błyskawicznie do jednej lub kilku wielkich hal, w których pracowałyby tysiące ludzi wykonujących obliczenia potrzebne do przygotowania prognozy, a raczej tysięcy prognoz, które byłyby wyświetlane na mapie świata zajmującej jedną ze ścian. Owych rachmistrzów określał zresztą „komputerami”.
Richardson nigdy nie zrealizował swojego marzenia o „numerycznej prognozie pogody”. Jego pomysł urzeczywistnił się, dopiero gdy w 1946 r. na University of Pennsylvania zaczął pracować słynny ENIAC – pierwszy elektroniczny komputer cyfrowy.
ENIAC ważył 30 ton i mieścił się w 42 szafach zajmujących powierzchnię 140 m kw. Wykonywał obliczenia głównie na potrzeby wojska, ale zaczęto też próby modelowania zjawisk w atmosferze. Podjął się tego matematyk John von Neumann, który z zespołem przygotował w 1950 r. program, spisany na dwóch kartkach papieru. ENIAC męczył się dobę, zanim pokazał prognozę na kolejny dzień. Trafiał (acz niezbyt dokładnie).
Czytaj także: Rekordowo zimno, rekordowo ciepło, rekordowo sucho. Ocieplenie klimatu ma się u nas świetnie
Tak rozpoczęła się era wyliczanych przez komputery cyfrowych symulacji zachowania atmosfery – czyli numerycznych prognoz pogody.
Motyl w Brazylii, tornado w Teksasie
W 1960 r. amerykański matematyk i meteorolog Edward Lorenz stworzył układ 12 równań opisujących związki między temperaturą, ciśnieniem, prędkością wiatru itd., czyli opisujących stan atmosfery. Jak większość ówczesnych naukowców, był przekonany, że dość dokładne dane wejściowe będą dawać dość dokładne wyliczenia (czyli prognozy pogody).
Gdy wprowadził do równań w komputerze dwie niewiele różniące się od siebie liczby (były to najpierw 0,506127, a później 0,506), otrzymał dwa wykresy, które – mimo tak niewielkiej początkowej różnicy – coraz bardziej się „rozjeżdżały”. Opisujące pogodę równania okazały się niezwykle czułe nawet na bardzo niewielkie zmiany, a różnice po dłuższym czasie rosły do bardzo dużych wartości.
To właśnie dlatego prognozowanie pogody na dłużej niż kilka dni jest w zasadzie nieprzydatne. Błąd lub niedokładność w obliczeniach szybko narastają, w obliczeniach pojawia się chaos.
To zaskakujące odkrycie było dyskutowane przez lata 60. i początek 70. Trudno było uwierzyć, że „zaburzenie wywołane trzepotem skrzydła mewy może z czasem urosnąć i wpłynąć na stan pogody setki kilometrów dalej”, jak pisał Lorenz. W 1972 r. Philip Merrilees wygłosił referat pod tytułem: „Czy uderzenie skrzydeł motyla w Brazylii wywołuje tornado w Teksasie” (Does the flap of a butterfly’s wings in Brazil set off a tornado in Texas?). Nazwa „efekt motyla” przyjęła się potocznie. Matematycy i fizycy mówią o „układach chaotycznych”, a teoria chaosu stała się działem matematyki.
Prognozy na dłużej niż tydzień są mało wiarygodne
Prognozy numeryczne wyliczane przez superkomputery na podstawie modeli atmosfery dość dobrze sprawdzają się w perspektywie dwóch–trzech dni. W dłuższej ich skuteczność spada. „Efekt motyla” sprawia, że prognozy na więcej niż siedem dni są mało wiarygodne.
Prognozowaniem numerycznym od 1979 r. zajmuje się Europejskie Centrum Średnioterminowych Prognoz Pogody (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF), którego prognozy mają najlepszą sprawdzalność na świecie. Dokładność jego trzydniowych prognoz numerycznych jest bardzo wysoka, dochodzi do 98,5 proc. Nieco niższa jest w przypadku prognoz pięciodniowych – 90 proc.
Z kolei dokładność prognoz siedmiodniowych ECMWF wynosi 70 proc. Prognoz dziesięciodniowych – już tylko 50. Niewiele nam przyjdzie z prognozy o takiej dokładności, jeśli chcemy zaplanować urlop nad morzem.
Pewnym rozwiązaniem jest stosowanie „wiązek modeli”. Wynikiem jest zestaw prognoz o różnych prawdopodobieństwach. Z takiej „wiązki” można wybrać najbardziej prawdopodobne. To pozwala przedłużyć horyzont czasowy przewidywania pogody, jednak zwykle mniej więcej o połowę, czyli z 10 do 15 dni. Pamiętajmy, że dokładność takich prognoz jest jednak wciąż niewielka.
Sztukowanie sztuczną inteligencją
Po superkomputerach pojawiły się sieci neuronowe, czyli komputerowe algorytmy uczące się na podstawie przykładów – potocznie zwane sztuczną inteligencją. Wyuczone na milionach przykładów są bardzo skuteczne w rozpoznawaniu różnych subtelnych zależności. Można je karmić danymi meteorologicznymi i uczyć prognozowania pogody.
Na razie mają ograniczoną skuteczność. Algorytm opracowany przez Google’a przewiduje pogodę „na żywo” – superkomputery robią to „skokowo” w kolejnych krokach co kilka godzin - ale tylko na kilka godzin naprzód. Jeśli chodzi o dłuższe prognozy nadal lepsze są superkomputery wyliczające prognozy na podstawie równań.
Sztuczną inteligencję zaczęły też wykorzystywać ośrodki modelowania numerycznego. Z końcem lutego bieżącego roku model oparty na sztucznej inteligencji uruchomił np. ECMWF.
Czytaj także: Najlepsze prognozy pogody tworzy AI. W kilka minut i bez superkomputerów
Cieplej od średniej i sucho
A co mówią nam długoterminowe prognozy pogody na lato? Zobaczmy, co prognozuje IMGW na podstawie modelu ECMWF na najbliższe pięć tygodni, czyli lipiec i pierwsze dni sierpnia.
Minimalne temperatury w tym okresie nie powinny spadać poniżej 14–16 st. C. Maksymalne temperatury w pierwszym tygodniu lipca powinny oscylować ok. 24 st., w kolejnych czterech – 26 st. (chłodniejsze jak zwykle będzie Wybrzeże).
Prawdopodobieństwo wystąpienia upałów powyżej 30 st. jest niewielkie i wynosi maksymalnie ok. 10 proc., jedynie na Dolnym Śląsku ok. 14 proc. Pierwszy tydzień tej prognozy (licząc od poniedziałku 30 lipca) powinien być w normie, jeśli chodzi o lipcowe temperatury.
Kolejne dwa tygodnie (od 7 do 20 lipca) będą wedle prognozy cieplejsze od średniej. Potem może nastąpić tydzień z temperaturami w normie, cieplej będzie jedynie na południu kraju. Powrót temperatur wyższych od średniej w całym kraju model przewiduje w ostatnim tygodniu, na przełomie lipca i sierpnia.
Będą to raczej tygodnie suche. O ile w pierwszym tygodniu opady mogą być w normie, w kolejnych czterech model przewiduje od 30 do 50 proc. normy opadów dla tych tygodni.
Czytaj także: Będzie upalnie, ale jeszcze nie teraz. Dlaczego prognozy pogody wciąż są nietrafne?
Lato cieplejsze (być może) od średniej
Jak pewni możemy być tych przewidywań? Cóż, niezbyt pewni.
„Pomimo coraz większej mocy obliczeniowej superkomputerów i szerokiej wiedzy o procesach pogodowych wciąż nie można uniknąć błędów i różnic w prognozach na tak długi okres w przyszłość. Wynikają one zarówno z ryzyka wystąpienia nagłych (często lokalnych) zjawisk meteorologicznych, które mogą zaburzyć prognozowane procesy pogodowe, jak i z samej różnorodności wykorzystywanych w modelach prognostycznych założeń fizycznych oraz równań matematycznych i statystycznych”, zastrzega IMGW.
„Nie jest możliwy dokładniejszy opis przewidywanej pogody z tak dużym wyprzedzeniem. Należy pamiętać, że prognoza jest orientacyjna, ma charakter eksperymentalny i dotyczy średniego przebiegu dla całego prognozowanego regionu i danego okresu prognostycznego”.
IMGW publikuje też prognozę czteromiesięczną. Wynika z niej, że tegoroczne lato będzie cieplejsze od średniej wieloletniej.