Wróżenie z Atlantyku
W Internecie można oglądać tzw. numeryczne prognozy pogody przygotowywane przez maszyny. Czy któregoś dnia zastąpią one synoptyków?
Grażyna Dąbrowska, synoptyk z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, rozkłada na biurku mapę Europy wraz ze sporym fragmentem Atlantyku i północnej Afryki. Od kilkudziesięciu lat praca synoptyków wygląda tak samo - co kilka godzin muszą pochylić się nad taką mapą oraz rozrysować i przeanalizować sytuację w atmosferze. Widok ten przywołuje nieodmiennie skojarzenia ze sztabem wojskowym, w którym skrupulatnie nanosi się meldunki o ruchach wojsk.
Może nie bez przyczyny kluczowym pojęciem meteorologii jest "front atmosferyczny", czyli obszar oddzielający masy powietrza o różnych właściwościach (np. gorącą i suchą od zimnej i wilgotnej). Toczą one ze sobą wojny, przesuwając się i wypierając jedna drugą. Czasami bitwy przez kilka dni pozostają nierozstrzygnięte, gdyż każda ze stron jest równie silna - fachowo określa się taką sytuację mianem "frontu stacjonarnego". Meteorologom nieobcy jest też stan alarmu i zagrożenia, gdy nadciągają niszczycielskie burze, trąby powietrzne czy wichury.
Plama pod Islandią
- Te liczne punkty na mapie, przy których wydrukowane są małe znaczki i liczby, to stacje meteorologiczne przesyłające informacje o ciśnieniu, wilgotności, temperaturze, sile i kierunku wiatru oraz chmurach - mówi Grażyna Dąbrowska. - Na tej podstawie wiemy m.in., gdzie jest wysokie, a gdzie niskie ciśnienie. Na przykład ta duża plama pod Islandią to potężny niż. Kiedyś dane z rozsianych po całej Europie stacji były nanoszone ręcznie na podstawie meldunków nadsyłanych telegrafem. Właśnie to urządzenie przyczyniło się do narodzin nowoczesnej meteorologii. Stało się tak w połowie XIX w., gdy Urbain Le Verrier, francuski astronom i odkrywca Neptuna, został poproszony o przeanalizowanie przyczyn wielkiego sztormu z 14 listopada 1854 r., który spowodował ogromne zniszczenia we flotach Francji i Wielkiej Brytanii operujących na Morzu Czarnym w czasach wojny krymskiej.
Uczony, przestudiowawszy dostępne zapiski, doszedł do wniosku, że strat można by było uniknąć, gdyby marynarka wojenna otrzymała ostrzeżenie przed nadciągającym sztormem. A uformował się on dwa dni przed feralnym 14 lipca i przewędrował niemal przez całą Europę. Kierunek tego niszczycielskiego pochodu można było, zdaniem Le Verriera, śledzić i przewidzieć. Wnioski słynnego astronoma doprowadziły do utworzenia we Francji, a następnie w Rosji i Holandii, pierwszych sieci stacji meteorologicznych połączonych telegrafem.
W tym samym czasie w Anglii kapitan Robert FitzRoy, swego czasu dowódca słynnego "HMS Beagle", na pokładzie którego Karol Darwin opłynął świat, wyposażył statki w nowatorski typ barometru ostrzegającego przed sztormami oraz stworzył program regularnego przewidywania pogody na podstawie danych z sieci kilkunastu lądowych stacji pomiarowych. Pierwsza wydrukowana w gazecie prognoza pojawiła się na łamach "The Times" w 1860 r.
Ocean od kuchni
Dziś przesyłanie informacji odbywa się za pomocą sieci komputerowej, a maszyny automatycznie nanoszą dane na mapę. - Komputery przyspieszyły i ułatwiły naszą pracę. Ale jest coś, czego jeszcze nie potrafią same zrobić. Mianowicie rozrysować frontów atmosferycznych. To, jak te fronty przebiegają, stanowi kluczową przesłankę przewidywania pogody - wyjaśnia Grażyna Dąbrowska. Maszyny nie umieją tego zrobić, gdyż granice między masami powietrza są często nieostre. To taka meteorologiczna szara strefa. - Rozrysowanie położenia frontów zależy więc w dużym stopniu od doświadczenia i wyczucia synoptyka, podczas gdy komputer potrzebuje precyzyjnych danych -dodaje Dąbrowska.
Po co jednak synoptykowi, przygotowującemu prognozę np. tylko dla terytorium Polski, wielka mapa frontów atmosferycznych nad całą Europą i Oceanem Atlantyckim? - Kluczem do naszkicowania sytuacji lokalnej jest globalny stan atmosfery. Muszę np. wiedzieć, co się dzieje nad północnym Atlantykiem. Ocean to taka kuchnia, w której przyroda przyrządza układy niżowe i wyżowe decydujące o pogodzie m.in. w Polsce.
Gdy synoptyk ma już gotowy przegląd sytuacji na całym kontynencie, sprawdza dane napływające co godzinę z 61 stacji meteorologicznych rozmieszczonych na terenie całego kraju. Dzięki temu widzi, co dokładnie dzieje się nad Polską. Jeszcze 20 lat temu w IMGW działał cały sztab ludzi rozszyfrowujących rzędy cyferek, czyli informacje zakodowane w depeszach meteorologicznych nadsyłanych ze stacji, i nanoszących je na mapę Polski i Europy. Dziś wystarczy jedno kliknięcie myszką, by zobaczyć np. rozkład temperatury. Ponadto trzy stacje aerologiczne - w Legionowie, Łebie i Wrocławiu - wypuszczają dwa razy na dobę balony z aparaturą pomiarową.
- Dane ze stacji meteorologicznych są uzyskiwane na jednej wysokości - 2 m nad powierzchnią gruntu. Problem polega na tym, że temperatura powietrza tuż nad ziemią ulega dobowym wahaniom. Jej wzrost w ciągu dnia jest spowodowany przenoszeniem ciepła od nagrzanej przez Słońce gleby czy budynków, zaś nocny spadek - jego wypromieniowaniem. Na wysokości ok. 1,5 km czynniki te przestają odgrywać rolę. Tylko dzięki pomiarom za pomocą balonu mogę stwierdzić, czy odnotowany przez naziemne stacje wzrost temperatury ma związek z napłynięciem cieplejszego powietrza, czy jest tylko wahnięciem dobowym - wyjaśnia Grażyna Dąbrowska.
Oprócz danych ze stacji i balonów, synoptycy mają jeszcze do dyspozycji zdjęcia satelitarne oraz pomiary radarowe, dzięki którym widać gdzie, na jakiej wysokości i jakiego rodzaju są chmury, jak się przesuwają i gdzie występują opady atmosferyczne. Wszystkie te informacje służą do naszkicowania prognoz rozwoju sytuacji w najbliższych dniach.
Chaos w układzie
Nowoczesna technika - komputery, satelity, radary niewątpliwie usprawniła prognozowanie pogody. Ale czy dzięki temu dzisiejsze prognozy są znacznie bardziej trafne niż np. 20 lub 30 lat temu? - Nie mamy danych umożliwiających takie porównania. Analizy prowadzimy dopiero od kilku lat, ale mam wrażenie, że aż tak wiele się nie zmieniło. Może trochę precyzyjniej potrafimy przewidzieć pogodę na 48 godzin. Im jednak jest dłuższa, tym bardziej niepewna - przyznaje Dąbrowska.
Na przeszkodzie w dokładnym prognozowaniu staje sama natura. Atmosfera ziemska jest bowiem niewyobrażalnie skomplikowanym układem, który określa się mianem chaosu deterministycznego. Mimo to naukowcy próbują tworzyć za pomocą potężnych komputerów modele atmosfery. Jako jeden z pierwszych wpadł na ten pomysł Lewis Richardson, brytyjski matematyk i meteorolog, jeszcze w 1922 r., ale dopiero w marcu 1950 r., dzięki maszynie ENIAC, składającej się z 18 tys. lamp i ważącej blisko 30 t, powstała pierwsza tzw. numeryczna prognoza pogody.
W jaki sposób komputer jest w stanie przewidzieć zjawiska zachodzące w chaotycznej atmosferze? Bez bardzo dobrej znajomości matematyki niestety nie jest to proste. Z grubsza rzecz biorąc, atmosfera jest obiektem, który można opisać za pomocą tajemniczo brzmiących dla laika cząstkowych równań różniczkowych, odzwierciedlających ewolucję stanu atmosfery w czasie. Te z kolei da się rozwiązać z pewnym przybliżeniem właśnie dzięki maszynom liczącym. Wygląda to tak, że do komputera wprowadza się dane dostarczone ze stacji meteorologicznych, satelitów, radarów i samolotów. Zawierają one informacje o sile wiatru, temperaturze, ciśnieniu i wilgotności powietrza z określonego obszaru (w przypadku prognoz dla Polski jest to Europa z fragmentem północnej Afryki i sporą częścią Atlantyku). Następnie maszyna wylicza, jak będzie zmieniała się pogoda na danym obszarze, np. na terenie naszego kraju. Komputer wykonuje to małymi krokami, nawet co kilkanaście sekund. Żeby zatem przygotować prognozę na najbliższe 48 godzin, musi zrobić kilkanaście tysięcy takich cokilkunastosekundowych prognoz.
Od ponad dekady tak właśnie przygotowywane numeryczne prognozy pogody dla naszego kraju można oglądać w Internecie. Na stronie IMGW (www.pogodynka.pl) są dostępne rezultaty uzyskiwane dzięki dwóm modelom komputerowym pogody: COSMO+GFS oraz Aladin, opracowanych w Niemczech i Francji. Wyniki prognoz innych dwóch modeli, jednego o nazwie UM i stworzonego dla potrzeb Brytyjskiej Służby Meteorologicznej i drugiego COAMPS - używanego przez amerykańską marynarkę wojenną, opracowuje i udostępnia na swoich stronach ICM (www.meteo.pl), czyli Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego.
Każdy z takich modeli ma swoje specyficzne sposoby opisu procesów fizycznych zachodzących w atmosferze, m.in. oddziaływania promieniowania słonecznego. Dlatego prognozy uzyskiwane przez różne modele są czasami odmienne. Jeden lepiej obrazuje temperaturę, inny opady. Na przykład model UM jest lepszy od COAMPS w przewidywaniu zmian temperatury. Dlatego w przyszłości być może będą powstawać prognozy na podstawie kilku modeli, ale ich integracja na razie nie jest taka prosta. Warto dodać, że zarówno UM, jak i COSMO zaliczane są do światowej czołówki modeli komputerowych pogody.
Sprawdzalność prognoz numerycznych poprawia się też z roku na rok, przede wszystkim dzięki wzrostowi mocy obliczeniowych komputerów oraz coraz dokładniejszym danym o bieżącym stanie atmosfery. Doskonali się też same modele, by lepiej odzwierciedlały skomplikowane procesy zachodzące w atmosferze. Nie jest więc wykluczone, że za jakiś czas maszyny będą tworzyły trafne prognozy nie na dwa dni naprzód, jak obecnie, ale na cały tydzień.
Czy w takim razie komputery zastąpią kiedyś synoptyków? Pojawiają się głosy, że świat zmierza właśnie w tym kierunku i zawód synoptyka, jaki dzisiaj znamy, odchodzi nieuchronnie do lamusa. Inni z kolei twierdzą, że tak się nie stanie. Prognozy numeryczne są bowiem tylko narzędziem ułatwiającym przetwarzanie ogromnej liczby danych pomiarowych, a profesjonalna interpretacja wyników przez człowieka zawsze będzie miała znaczenie.
- Na pewno maszyny potrafią bardzo szybko obliczyć wartości temperatury powietrza czy prędkości wiatru co godzinę lub nawet w krótszych interwałach, np. dla najbliższej doby, a potem te wyniki zaprezentować w postaci wykresu lub w innej formie graficznej. Równie szybko synoptyk posługujący się tradycyjnymi metodami może jedynie stwierdzić ogólną tendencję zmian oraz obliczyć najniższe i najwyższe wartości temperatury i wiatru w prognozowanym okresie - mówi Grażyna Dąbrowska. Według wyliczeń IMGW prognozy numeryczne skorygowane przez synoptyków są trafniejsze niż te przygotowane przez sam komputer. Zatem mimo ogromnego tempa rozwoju techniki zawód synoptyka wydaje się niezagrożony.
Marcin Rotkiewicz
Polityka
