В то время как большинство ученых почитаются за понимание нашей сложной вселенной (Эйнштейн практически герой), метеорологи часто сталкиваются с насмешками. Как мы можем отправить человека на Луну или предсказать расположение планет на несколько лет вперед, но при этом не составить точных прогнозов погоды?
Во-первых, нужно отдать должное: синоптики значительно улучшили свою игру за последние 20 лет. Трехдневные прогнозы, которые они дают сегодня, лучше, чем однодневные прогнозы, которые они делали 20 лет назад. Они также гораздо лучше оснащены для предоставления заблаговременных предупреждений о суровой погоде, что удваивает время подготовки предупреждений о торнадо и дает людям дополнительные 40 минут, чтобы избежать внезапных наводнений.
Современные метеорологи не были бы столь точными безчислового прогноза, который использует математические уравнения для предсказания погоды. Для такого прогнозирования требуются мощные компьютеры и большое количество данных наблюдений, собранных с суши, моря и воздуха. Одна метеостанция никогда не сможет собрать столько информации. Вместо этого тысячи станций по всему миру связаны между собой, а их данные объединены. Некоторые из этих станций - наземные анемометры (метеорологи называют их анемометрами), дождеприемники и датчики температуры - напоминают те, которыми пользуются метеорологи-любители. Другие лежат далеко в море, привязанные к буям. А третьи путешествуют на коммерческих авиалайнерах или морских судах, собирая данные о погоде по мере того, как пассажиры и товары перемещаются из пункта А в пункт Б. Наконец, метеорологические спутники и воздушные шары предоставляют информацию из верхних слоев атмосферы. Спутники фотографируют погоду Земли со своей орбиты в космосе, а воздушные шары отслеживают данные о верхних слоях атмосферы над определенным местом.
В совокупности все эти датчики и датчики производят более 1 миллиона наблюдений за погодой каждый день. Обычный компьютер - такой, какой вы покупаете в местном магазине электроники, - захлебнется от всех этих данных. К счастью, метеорологи могут положиться на суперкомпьютеры, невероятно быстрые машины, выполняющие миллионы вычислений в секунду. В Соединенных Штатах эти компьютеры размещены в Национальных центрах экологического прогнозирования (NCEP), расположенных в Кэмп-Спрингс, штат Мэриленд. Там наблюдения за погодой поступают в мозг суперкомпьютера, который использует сложные математические модели для прогнозирования того, как на основе поступающих данные, погодные условия могут меняться со временем. Выходные данные компьютера составляют основу почти каждого прогноза, транслируемого по радио и телеканалам по всей Америке.
Переменная облачность, возможен хаос
Вы можете подумать, что суперкомпьютеры Национального центра прогнозирования окружающей среды никогда не ошибаются, но даже их возможности не справляются с огромными задачами прогнозирования погоды. Это потому, что они должны учитывать несколько крупномасштабных явлений, каждое из которых определяется множеством переменных и факторов. Например, они должны учитывать, как солнце будет нагревать поверхность Земли, как перепады атмосферного давления будут формировать ветры и как изменение состояния воды (от льда к воде или от воды к пару) повлияет на поток энергии. Им даже приходится пытаться рассчитать эффекты вращения планеты в космосе, которое перемещает поверхность Земли под атмосферу. Небольшие изменения любой переменной в любом из этих сложных расчетов могут серьезно повлиять на будущую погоду.
В 1960-х годах метеоролог из Массачусетского технологического института по имени Эдвард Лоренц предложил точное описание этой проблемы. Он назвал этоЭффектом бабочки, имея в виду, как взмах крыльев бабочки в Азии может резко изменить погоду в Нью-Йорке. Сегодня Лоренц известен как отецтеории хаоса, набора научных принципов, описывающих очень сложные системы, такие как погодные системы, где небольшие изменения начальных условий радикально меняют конечные результаты. Из-за хаоса существует предел точности прогнозов погоды. Лоренц установил этот предел в две недели.
Современные метеорологи используют самые современные технологии и приемы, чтобы укротить хаос, такие какансамбльный прогноз, который состоит из нескольких прогнозов, каждый из которых основан на немного отличающихся друг от друга прогнозах. отправные точки. Если каждый прогноз в ансамбле выглядит одинаково, то погода, скорее всего, будет «вести себя». Если какой-либо прогноз выглядит радикально иначе, то погода, скорее всего, «не так себя ведёт».
Метеорологи также полагаются на доплеровский радар для более эффективного наблюдения за погодными условиями и улучшения прогнозов. Доплеровский радар требует, чтобы передатчик излучал радиоволны в небо. Волны ударяются об атмосферные объекты и отскакивают назад. Облака, удаляющиеся от передатчика, возвращают волны другого типа, чем облака, движущиеся к передатчику. Компьютер в радаре преобразует данные об отраженных радиоволнах в изображения, показывающие облачность и полосы осадков, а также скорость и направление ветра.
Благодаря этой технологии метеорологи теперь могут предсказывать погоду лучше, чем когда-либо, особенно когда они ограничивают то, как далеко они заглядывают в будущее. Например, до 12 часов метеорологи предлагают довольно надежные прогнозы общих условий и тенденций. К сожалению, из-за хаоса они никогда не смогут предсказать погоду с абсолютной уверенностью, поэтому внезапные штормы - торнадо и проливные дожди с наводнениями - продолжают опустошать сообщества без предупреждения. По этой причине лучше брать с собой зонт даже в ясные и солнечные дни.