Prognoza pogody - teoria

Prognozowanie pogody to zastosowanie nauki i technologii do przewidywania stanu atmosfery na przyszły czas i dane miejsce. Istoty ludzkie próbowały nieformalnie przewidywać pogodę od tysiącleci, a formalnie od co najmniej XIX wieku. Prognozy pogody są tworzone poprzez gromadzenie danych ilościowych o aktualnym stanie atmosfery i wykorzystanie naukowego zrozumienia procesów atmosferycznych do przewidywania ewolucji atmosfery.

Kiedyś przedsięwzięcie całkowicie ludzkie oparte głównie na zmianach ciśnienia atmosferycznego , aktualnych warunków pogodowych i stanu nieba, modele prognostyczne są obecnie używane do określania przyszłych warunków. Z drugiej strony, ludzki wkład jest nadal wymagany, aby wybrać najlepszy możliwy model prognozy, na którym oprzeć prognozę, która obejmuje wiele dyscyplin, takich jak umiejętności rozpoznawania wzorców, tele połączenia , wiedza na temat wydajności modelu i wiedza na temat błędów modelu.

Chaotyczny charakter atmosfery, masywny moc obliczeniowa wymagana do rozwiązywania równań, które opisują atmosferę, błąd związany pomiaru warunków początkowych i niekompletne rozumienie procesów atmosferycznych oznacza, że prognozy stają się mniej dokładne zgodnie z różnicy w obecnym czasie a czas na jaki prognoza jest sporządzana ( zakres prognozy) rośnie. Zastosowanie zespołów i konsensusu modelowego pomaga zawęzić błąd i wybrać najbardziej prawdopodobny wynik.

Istnieje wiele różnych użytkowników końcowych prognoz pogody. Ostrzeżenia pogodowe są ważnymi prognozami, ponieważ służą do ochrony życia i mienia. Prognozy oparte na temperaturze i opadach są ważne dla rolnictwa, , a zatem dla handlujących towarami na giełdach. Prognozy temperatur są wykorzystywane przez przedsiębiorstwa użyteczności publicznej do oszacowania zapotrzebowania na nadchodzące dni.

Na niektórych obszarach ludzie korzystają z prognoz pogody, aby określić, w co się ubrać danego dnia. Ponieważ ulewny deszcz , śnieg i chłód wiatru poważnie ograniczają aktywność na świeżym powietrzu , prognozy można wykorzystać do planowania działań wokół tych wydarzeń i planowania z wyprzedzeniem, aby je przetrwać.

Prognozy pogody w tropikach różnią się od prognoz na wyższych szerokościach geograficznych. Słońce świeci bardziej bezpośrednio w tropikach niż na wyższych szerokościach geograficznych (przynajmniej średnio w ciągu roku), co sprawia, że ​​tropiki są ciepłe (Stevens 2011). A kierunek pionowy (w górę, jak stoi się na powierzchni Ziemi) jest prostopadły do ​​osi obrotu Ziemi na równiku, podczas gdy oś obrotu i pion są takie same na biegunie; powoduje to, że rotacja Ziemi silniej wpływa na cyrkulację atmosferyczną na dużych szerokościach geograficznych niż na niskich. Z powodu tych dwóch czynników chmury i burze w tropikach mogą pojawiać się bardziej spontanicznie w porównaniu z tymi na wyższych szerokościach geograficznych, gdzie są one ściślej kontrolowane przez siły atmosferyczne o większej skali. Z powodu tych różnic chmury i deszcz są trudniejsze do przewidzenia w tropikach niż na wyższych szerokościach geograficznych. Z drugiej strony, temperaturę w tropikach można łatwo przewidzieć, bo niewiele się ona zmienia

Kiedyś obliczana ręcznie, oparta głównie na zmianach ciśnienia atmosferycznego , aktualnych warunków pogodowych i stanu nieba lub zachmurzenia, prognozowanie pogody opiera się teraz na modelach komputerowych , które uwzględniają wiele czynników atmosferycznych. Wciąż wymagany jest wkład ludzki, aby wybrać najlepszy możliwy model prognozy, na którym oprzeć prognozę, co obejmuje umiejętności rozpoznawania wzorców, telepołączenia , wiedzę na temat wydajności modelu i wiedzy o błędach modelu. Niedokładność prognoz wynika z chaosucharakter atmosfery, ogromna moc obliczeniowa wymagana do rozwiązania równań opisujących atmosferę, ląd i ocean, błąd pomiaru warunków początkowych oraz niepełne zrozumienie procesów atmosferycznych i powiązanych. W związku z tym prognozy stają się mniej dokładne w miarę zwiększania się różnicy między czasem bieżącym a czasem, dla którego prognoza jest sporządzana ( zakres prognozy). Zastosowanie zespołów i konsensusu modelu pomaga zawęzić błąd i zapewnić poziom ufności prognozy.

Istnieje wiele różnych zastosowań końcowych prognoz pogody . Ostrzeżenia pogodowe są ważnymi prognozami, ponieważ służą do ochrony życia i mienia. Prognozy oparte na temperaturze i opadach są ważne dla rolnictwa, a zatem dla handlowców na rynkach towarowych. Prognozy temperatur są wykorzystywane przez przedsiębiorstwa użyteczności publicznej do oszacowania zapotrzebowania na nadchodzące dni. Na co dzień wiele osób korzysta z prognoz pogody, aby określić, w co się ubrać danego dnia. Ponieważ ulewny deszcz, śnieg i chłód wiatru znacznie ograniczają aktywność na świeżym powietrzu , prognozy można wykorzystać do planowania działań wokół tych wydarzeń oraz planowania z wyprzedzeniem i przetrwania ich.

Prognozowanie pogody jest częścią gospodarki, na przykład w 2009 roku Stany Zjednoczone wydały około 5,1 miliarda dolarów na prognozowanie pogody, przynosząc korzyści szacowane na sześć razy więcej.

Starożytne prognozy pogody

Od tysiącleci ludzie próbują prognozować pogodę. W 650 pne Babilończycy przewidzieli pogodę na podstawie wzorców chmur oraz astrologii . Około 350 pne Arystoteles opisał wzorce pogodowe w Meteorologica . Później Teofrast skompilował książkę o prognozowaniu pogody, zwaną Księgą Znaków . Chińska tradycja prognozowania pogody sięga co najmniej 300 lat pne , co było również mniej więcej w tym samym czasie, gdy starożytni indyjscy astronomowie opracowali metody przewidywania pogody. W Nowym Testamencie razy sam Jezus odwoływał się do odczytywania i rozumienia lokalnych wzorców pogodowych, mówiąc: „Kiedy nadejdzie wieczór, mówicie: 'Będzie piękna pogoda, bo niebo jest czerwone', a rano: 'Dzisiaj będzie burzowo, bo niebo jest czerwone i zachmurzone”. Wiesz, jak interpretować wygląd nieba, ale nie możesz interpretować znaków czasu.

W 904 rne, Ibn Wahshiyya „s Nabatean Rolnictwo , przetłumaczone na arabski z wcześniej aramejskiego pracy omówili prognozowanie pogody zmian i objawów od atmosferycznego planetarna astralne zmiany; oznaki deszczu na podstawie obserwacji faz księżyca ; oraz prognozy pogody na podstawie ruchu wiatrów.

Starożytne metody prognozowania pogody zwykle opierały się na zaobserwowanych wzorcach zdarzeń, określanych również jako rozpoznawanie wzorców. Na przykład zaobserwowano, że jeśli zachód słońca był szczególnie czerwony, to kolejny dzień często przynosił dobrą pogodę. To doświadczenie gromadziło się przez pokolenia, aby stworzyć wiedzę o pogodzie . Jednak nie wszystkie [ które? ] z tych przewidywań okazały się wiarygodne, a wiele z nich okazało się, że nie wytrzymuje rygorystycznych testów statystycznych.

Nowoczesne metody prognozy pogody

Dopiero wynalezienie telegrafu elektrycznego w 1835 roku zapoczątkowało współczesną erę prognozowania pogody. Wcześniej najszybszy, z jakim dalekie raporty pogodowe mogły podróżować, wynosił około 160 kilometrów dziennie (100 mil/d), ale częściej wynosił 60-120 kilometrów dziennie (40-75 mil/dzień) (czy drogą lądową, czy drogą morską). Pod koniec lat 40. XIX wieku telegraf umożliwił niemal natychmiastowe odbieranie raportów o warunkach pogodowych z dużego obszaru, umożliwiając sporządzanie prognoz na podstawie wiedzy o warunkach pogodowych znajdujących się dalej pod wiatr .

Dwóch ludzi, którym przypisuje się narodziny prognozowania jako nauki, to oficer Królewskiej Marynarki Wojennej Francis Beaufort i jego protegowany Robert FitzRoy . Obaj byli wpływowymi ludźmi w brytyjskich kręgach marynarki wojennej i rządowej, i chociaż wyśmiewano ich w ówczesnej prasie, ich praca zyskała wiarygodność naukową, została zaakceptowana przez Royal Navy i stanowiła podstawę całej dzisiejszej wiedzy o prognozowaniu pogody.

Beaufort opracował kodowanie w skali siły wiatru i notacji pogody, które miał używać w swoich dziennikach do końca życia. Promował również rozwój niezawodnych tablic pływów wokół brytyjskich wybrzeży, a wraz ze swoim przyjacielem Williamem Whewellem rozszerzył rejestrację pogody w 200 brytyjskich stacjach straży przybrzeżnej .

Robert FitzRoy został mianowany w 1854 r. szefem nowego departamentu w Zarządzie Handlu, który zajmował się zbieraniem danych pogodowych na morzu w ramach usług dla marynarzy . Był to prekursor nowoczesnego Urzędu Meteorologicznego . Zadaniem wszystkich kapitanów statków było zebranie danych o pogodzie i ich obliczenie za pomocą wypożyczonych w tym celu przetestowanych przyrządów.

Burza w 1859 r., która spowodowała utratę Królewskiego Statutu, zainspirowała FitzRoya do opracowania wykresów umożliwiających przewidywanie, które nazwał „przewidywaniem pogody” , tworząc w ten sposób termin „prognoza pogody”. Ustanowiono piętnaście stacji naziemnych, aby używać telegrafu do przekazywania mu codziennych raportów o pogodzie w określonych godzinach, prowadzących do pierwszej służby ostrzegania przed wichurą. Jego służbę ostrzegania dla żeglugi rozpoczęto w lutym 1861 r. za pomocą łączności telegraficznej . Pierwsze dzienne prognozy pogody ukazały się w The Times w 1861 r.W następnym roku wprowadzono system podnoszenia stożków ostrzegania sztormowego w głównych portach, gdy spodziewany był sztorm.„Pogoda Book” , która FitzRoy opublikowany w 1863 roku był o wiele wcześniej opinii naukowej czasu.

W miarę rozwoju sieci telegrafów elektrycznych, umożliwiającej szybsze rozpowszechnianie ostrzeżeń, powstała krajowa sieć obserwacyjna, która następnie mogła być wykorzystywana do przeprowadzania analiz synoptycznych. Do stacji obserwacyjnych z Obserwatorium Kew dostarczono instrumenty do ciągłego rejestrowania zmian parametrów meteorologicznych za pomocą fotografii – aparaty te zostały wynalezione przez Francisa Ronaldsa w 1845 roku, a jego barograf był wcześniej używany przez FitzRoya.

Aby przekazać dokładne informacje, wkrótce konieczne stało się posiadanie standardowego słownictwa opisującego chmury; osiągnięto to za pomocą serii klasyfikacji po raz pierwszy osiągniętych przez Luke'a Howarda w 1802 r. i ujednoliconych w Międzynarodowym Atlasie Chmur z 1896 r.

Przewidywanie pogody za pomocą liczb

Dopiero w XX wieku postęp w zrozumieniu fizyki atmosfery doprowadził do powstania nowoczesnej numerycznej prognozy pogody . W 1922 r. angielski naukowiec Lewis Fry Richardson opublikował „Przewidywanie pogody według procesu numerycznego” [21] po znalezieniu notatek i wyprowadzeń, nad którymi pracował jako kierowca karetki w czasie I wojny światowej. Opisał tam, jak małe elementy w prognostycznych równaniach dynamiki płynów rządzą można pominąć przepływ atmosferyczny i opracować skończony schemat różnicowania w czasie i przestrzeni, aby umożliwić znalezienie rozwiązań prognozowania numerycznego.

Richardson wyobraził sobie duże audytorium z tysiącami ludzi wykonujących obliczenia i przekazujących je innym. Jednak sama liczba wymaganych obliczeń była zbyt duża, aby można je było wykonać bez użycia komputerów, a rozmiar siatki i kroki czasowe doprowadziły do ​​nierealistycznych wyników w pogłębianiu systemów. Później okazało się, na podstawie analizy numerycznej, że było to spowodowane niestabilnością numeryczną . Pierwsza komputerowa prognoza pogody została wykonana przez zespół złożony z amerykańskich meteorologów Jule Charney , Philipa Thompsona, Larry'ego Gatesa i norweskiego meteorologa Ragnara Fjørtofta , stosowanego matematyka Johna von Neumanna i programisty ENIAC.Klara Dan von Neumann . Praktyczne zastosowanie numerycznej prognozy pogody rozpoczęło się w 1955 r. pod wpływem rozwoju programowalnych komputerów elektronicznych.

Jak matematyczne modele tworzą prognozy pogody

Podstawową ideą numerycznego prognozowania pogody jest próbkowanie stanu płynu w określonym czasie i wykorzystanie równań dynamiki płynów i termodynamiki do oszacowania stanu płynu w pewnym momencie w przyszłości. Główne dane pochodzące z krajowych służb meteorologicznych to obserwacje powierzchni z automatycznych stacji meteorologicznych na poziomie gruntu nad lądem oraz z boi meteorologicznych na morzu. Światowa Organizacja Meteorologiczna działa standaryzacja oprzyrządowania, obserwując praktyki i terminy tych obserwacji na całym świecie. Stacje nadają raporty co godzinę w meldunkach METAR lub co sześć godzin w meldunkach SYNOP . Uruchomienie witryn radio sondy , które wznoszą się w głąb troposfery i do stratosfery . Dane z satelitów meteorologicznych są wykorzystywane na obszarach, na których tradycyjne źródła danych nie są dostępne. W porównaniu z podobnymi danymi z radiosond, dane satelitarne mają przewagę globalnego zasięgu, jednak przy mniejszej dokładności i rozdzielczości. Radary meteorologiczne dostarczają informacji o lokalizacji i intensywności opadów, które można wykorzystać do oszacowania nagromadzenia opadów w czasie. Dodatkowo, jeśli impulsowy radar pogodowy Dopplera jest używany, a następnie można określić prędkość i kierunek wiatru.

Handel dostarcza raporty pilotażowe na trasach samolotówi raporty statków na trasach żeglugowych. Loty badawcze przy użyciu samolotów zwiadowczych latają w interesujących systemach pogodowych i wokół nich, takich jak cyklony tropikalne . Samoloty rozpoznawcze są również latane nad otwartymi oceanami w zimnych porach roku do systemów, które powodują znaczną niepewność w prowadzeniu prognoz lub oczekuje się, że będą miały duży wpływ na 3–7 dni w przyszłości nad kontynentem w dolnym biegu rzeki.

Modele są inicjowane przy użyciu tych zaobserwowanych danych. Obserwacje o nieregularnym rozmieszczeniu są przetwarzane za pomocą metod asymilacji danych i obiektywnej analizy, które przeprowadzają kontrolę jakości i uzyskują wartości w lokalizacjach możliwych do wykorzystania przez algorytmy matematyczne modelu (zwykle równomiernie rozmieszczona siatka). Dane są następnie wykorzystywane w modelu jako punkt wyjścia do prognozy. Powszechnie zestaw równań używanych do przewidywania fizyki i dynamiki atmosfery nazywa się równaniami prymitywnymi. Równania te są inicjowane na podstawie danych analitycznych i określane są szybkości zmian. Tempo zmian prognozuje stan atmosfery w niedługim czasie w przyszłość. Równania są następnie stosowane do tego nowego stanu atmosfery, aby znaleźć nowe szybkości zmian, a te nowe szybkości zmian przewidują atmosferę w jeszcze późniejszym czasie w przyszłości. Ta procedura stopniowania czasu jest ciągle powtarzana, aż rozwiązanie osiągnie żądany czas prognozy.

Długość kroku czasowego wybranego w modelu jest powiązana z odległością między punktami na siatce obliczeniowej i jest wybierana w celu zachowania stabilności numerycznej . Kroki czasowe dla modeli globalnych są rzędu kilkudziesięciu minut, natomiast kroki czasowe dla modeli regionalnych mieszczą się w przedziale od jednej do czterech minut. Modele globalne są uruchamiane w różnym czasie w przyszłości. Met Office jest jednolity model prowadzony jest przez sześć dni w przyszłość Europejskie Centrum Średnioterminowych prognozach pogody modelu zabrakło do 10 dni w przyszłości, [52] natomiast Global Forecast System model prowadzony przez Centrum Modelowania Środowiskowego jest uruchamiany 16 dni w przyszłości. [53] Wizualny wynik uzyskany przez rozwiązanie modelowe jest znany jako wykres prognostyczny lub prog . Produkcja surowa jest często modyfikowana przed przedstawieniem jej jako prognozy. Może to mieć formę technik statystycznych służących do usuwania znanych błędów systematycznych w modelu lub dostosowania w celu uwzględnienia konsensusu wśród innych liczbowych prognoz pogody. Statystyka wyników modelu MOS lub model jest techniką stosowaną do interpretacji wyników modelu numerycznego i tworzenia wskazówek dla konkretnego miejsca. Wskazówki te są przedstawione w zakodowanej formie numerycznej i można je uzyskać dla prawie wszystkich stacji raportujących National Weather Service w Stanach Zjednoczonych. Jak zaproponowany przez Edwarda Lorenza w 1963 roku, długie prognozy zasięgu, te wykonane w przedziale dwóch tygodni lub więcej, są niemożliwe do przewidzenia ostatecznie stan atmosfery, ze względu na chaotyczną naturę z dynamiki płynów równań zaangażowanych. W modelach numerycznych bardzo małe błędy w wartościach początkowych podwajają się mniej więcej co pięć dni dla zmiennych, takich jak temperatura i prędkość wiatru.

Zasadniczo model to program komputerowy, który generuje informacje meteorologiczne dla przyszłych czasów w określonych lokalizacjach i wysokościach. W każdym nowoczesnym modelu znajduje się zestaw równań, znanych jako równania pierwotne, używanych do przewidywania przyszłego stanu atmosfery. Równania te-wraz z prawie idealnie gazu -są stosuje się rozwijać się gęstość , ciśnienie i temperatura potencjalna skalarne pola oraz wektora prędkości atmosfery w czasie. Dodatkowe równania transportu dla zanieczyszczeń i innych aerozoli są również zawarte w niektórych modelach mezo skalowych opartych na równaniach pierwotnych. Stosowane równania są nieliniowymi równaniami różniczkowymi cząstkowymi, których nie da się rozwiązać dokładnie metodami analitycznymi , z wyjątkiem kilku wyidealizowanych przypadków. Dlatego metody numeryczne uzyskują przybliżone rozwiązania. Różne modele wykorzystują różne metody rozwiązywania: niektóre modele globalne wykorzystują metody spektralne dla wymiarów poziomych i metody różnic skończonych dla wymiaru pionowego, podczas gdy modele regionalne i inne modele globalne zwykle wykorzystują metody różnic skończonych we wszystkich trzech wymiarach.