Hvorfor vejrudsigten altid vil være en smule forkert

Videnskaben om vejrudsigter falder til offentlighedens undersøgelse hver eneste dag. Når prognosen er korrekt, vi kommenterer sjældent, men vi er ofte hurtige til at klage, når vejrudsigten er forkert. Er det sandsynligt, at vi nogensinde opnår en perfekt prognose, der er præcis i timen?

Der er mange trin involveret i at udarbejde en vejrudsigt. Det begynder sit liv som et globalt "snapshot" af atmosfæren på et givet tidspunkt, kortlagt på et tredimensionelt gitter af punkter, der spænder over hele kloden og strækker sig fra overfladen til stratosfæren (og nogle gange højere).

Ved at bruge en supercomputer og en sofistikeret model, der beskriver atmosfærens adfærd med fysikligninger, dette øjebliksbillede er så gået frem i tiden, producerer mange terabyte rå prognosedata. Det påhviler derefter menneskelige prognosemænd at fortolke dataene og omdanne dem til en meningsfuld prognose, der udsendes til offentligheden.

Om i vejret

At forudsige vejret er en stor udfordring. Til at starte med, vi forsøger at forudsige noget, der i sagens natur er uforudsigeligt. Atmosfæren er et kaotisk system – en lille ændring i atmosfærens tilstand på ét sted kan have bemærkelsesværdige konsekvenser over tid andre steder, som af en videnskabsmand blev analogiseret som den såkaldte sommerfugleeffekt.

Enhver fejl, der udvikler sig i en prognose, vil hurtigt vokse og forårsage yderligere fejl i større skala. Og da vi er nødt til at gøre mange antagelser, når vi modellerer atmosfæren, det bliver tydeligt, hvor let prognosefejl kan udvikle sig. For en perfekt vejrudsigt, vi bliver nødt til at fjerne hver enkelt fejl.

Forudsigelsesfærdigheder er blevet forbedret. Moderne prognoser er bestemt meget mere pålidelige, end de var før supercomputer-æraen. Storbritanniens tidligste offentliggjorte prognoser går tilbage til 1861, da Royal Navy officer og ivrig meteorolog Robert Fitzroy begyndte at offentliggøre prognoser i The Times.

Hans metoder involverede at tegne vejrkort ved hjælp af observationer fra et lille antal steder og lave forudsigelser baseret på, hvordan vejret udviklede sig i fortiden, når kortene var ens. Men hans prognoser var ofte forkerte, og pressen var som regel hurtige til at kritisere.

Et stort spring fremad blev taget, da supercomputere blev introduceret til prognosemiljøet i 1950'erne. Den første computermodel var meget enklere end i dag, forudsiger kun én variabel på et gitter med en afstand på over 750 km.

Dette arbejde banede vejen for moderne prognoser, hvis principper stadig er baseret på den samme tilgang og den samme matematik, selvom modeller i dag er meget mere komplekse og forudsiger mange flere variabler.

I dag, en vejrudsigt består typisk af flere kørsler af en vejrmodel. Operationelle vejrcentre kører normalt en global model med en gitterafstand på omkring 10 km, hvis output sendes til en model med højere opløsning, der kører over et lokalområde.

For at få et indtryk af usikkerheden i prognosen, mange vejrcentre kører også en række parallelle prognoser, hver med små ændringer i det indledende snapshot. Disse små ændringer vokser i løbet af prognosen og giver prognosemagere et skøn over sandsynligheden for, at noget sker – f.eks. den procentvise chance for, at det regner.

Fremtiden for prognoser

Supercomputerens tidsalder har været afgørende for at lade videnskaben om vejrudsigt (og faktisk klimaforudsigelser) udvikle sig. Moderne supercomputere er i stand til at udføre tusindvis af billioner af beregninger i sekundet, og kan lagre og behandle petabytes af data. Cray-supercomputeren på det britiske Met Office har processorkraft og datalagring af omkring en million Samsung Galaxy S9-smartphones.

Det betyder, at vi har processorkraften til at køre vores modeller ved høje opløsninger og inkludere flere variabler i vores prognoser. Det betyder også, at vi kan behandle flere inputdata, når vi genererer vores første "snapshot", skabe et mere præcist billede af atmosfæren til at starte prognosen med.

Disse fremskridt har ført til en stigning i prognosefærdigheder. En pæn kvantificering af dette blev præsenteret i en naturundersøgelse fra 2015 af Peter Bauer, Alan Thorpe og Gilbert Brunet, beskriver fremskridtene i vejrudsigten som en "stille revolution".

De viser, at nøjagtigheden af ​​en fem-dages prognose i dag er sammenlignelig med en tre-dages prognose for omkring 20 år siden, og at hvert årti, vi opnår omkring en dags færdigheder. I det væsentlige, dagens tre-dages prognoser er lige så præcise som to-dages prognosen for ti år siden.

Men er det sandsynligt, at denne kvalifikationsstigning vil fortsætte i fremtiden? Dette afhænger til dels af, hvilke fremskridt vi kan gøre med supercomputerteknologi. Hurtigere supercomputere betyder, at vi kan køre vores modeller i højere opløsning og repræsentere endnu flere atmosfæriske processer, i teorien fører til yderligere forbedring af forecast færdigheder.

Ifølge Moores lov, vores computerkraft er blevet fordoblet hvert andet år siden 1970'erne. Imidlertid, dette er blevet langsommere for nylig, så andre tilgange kan være nødvendige for at gøre fremtidige fremskridt, såsom at øge beregningseffektiviteten af ​​vores modeller.

Så vil vi nogensinde være i stand til at forudsige vejret med 100 % nøjagtighed? Kort sagt, ingen. Der er 2×10⁴⁴ (200, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000) molekyler i atmosfæren i tilfældig bevægelse - at forsøge at repræsentere dem alle ville være uoverskueligt. Vejrets kaotiske natur betyder, at så længe vi er nødt til at lave antagelser om processer i atmosfæren, der er altid mulighed for, at en model udvikler fejl.

Fremskridt i vejrmodellering kan forbedre disse statistiske repræsentationer og give os mulighed for at lave mere realistiske antagelser, og hurtigere supercomputere kan give os mulighed for at tilføje flere detaljer eller opløsning til vores vejrmodeller, men i hjertet af prognosen er en model, der altid vil kræve nogle antagelser.

Imidlertid, så længe der er forskning i at forbedre disse antagelser, fremtiden for vejrudsigten ser lys ud. Hvor tæt vi kan komme på den perfekte vejrudsigt, imidlertid, mangler at se.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.