Чому прогнози погоди не завжди сбуваються?
© ppe-openplatform.wmo.int
Так склалося, що прогнози погоди іноді не відповідають фактичному стану справ у атмосфері, особливо якщо ми говоримо про прогнози на місяць чи сезон. Навіть на найближчі дні погода іноді підносить такі сюрпризи, які виходять за рамки прогнозу, і ми одразу спішимо звинуватити в цьому синоптика і в цілому скептично, а іноді і з насмішкою, ставимось до професії прогнозиста. Але якщо заглибитись в це питання трохи ґрунтовніше, то виявиться, що існує ряд вагомих причин і «підводних каменів», які призводять до виникнення помилок та невизначеності.
Станом на 2021 рік середня справджуваність (або точність) прогнозів погоди на найближчу добу досягає 98 – 99%, а на другу та третю добу в межах 95 – 97%. Це стосується не лише України, а й багатьох інших більш розвинених країн. Багато ще залежить від методики та принципів оцінки, які у різних країнах мають певні відмінності, але цей фактор опустимо зараз. У будь-якому випадку, якщо порівнювати нинішні прогнози з прогнозами, які складалися 20 і 30 років тому, їхня якість зросла в рази. І все це нам вдалося за рахунок стрімкого розвитку чисельного моделювання та вдосконалення математичного апарату, який постійно допрацьовується провідними фахівцями по всьому світу. Однак, навіть незважаючи на такий стрибок і прогрес у сфері прогнозування, нам ніколи не вдасться досягти 100% ідеальної справджуваності через низку основних причин:
1. Хаотичний (випадковий) характер руху в атмосфері. Це багатьом відомий «ефект метелика», який полягає в тому, що який завгодно малий вплив на початковий стан атмосфери може викликати різноманітні наслідки в майбутньому, які складно спрогнозувати. Звідси виникає межа передбачуваності, яка для сучасних прогностичних моделей становить близько 10 – 14 днів. Нижче на карті 1 представлений наочний приклад хаотичності атмосферних процесів. У нас завжди є невизначеність початкового рівня (це всілякі флуктуації температури повітря, дрібні турбулентні рухи і т.д., які ми не можемо виміряти і врахувати, як не намагалися б). З часом така невизначеність лише наростає, немов сніжний ком, і призводить до неточності вихідних даних – саме тієї прогностичної ймовірності, вираженої у відсотках.
Також читайте
У цьому прикладі зображена ймовірність випадання опадів над Великобританією, прорахована чисельною моделлю ECMWF із завчасністю декілька діб. Таким чином, будь-які отримані дані моделі мають наближений характер. Наприклад, якщо модель порахувала нам на завтра максимальну температуру вдень +13,5 °С, це не означає, що вона повинна бути в точності такою. Це може бути і +13,1 °С, і +13,9 °С, що досить близько до прогнозованого значення. Подібні розбіжності якраз пов'язані з початковою невизначеністю і хаотичністю атмосферних процесів. Але все це не означає, що ми нічого не можемо сказати про майбутнє атмосфери більш ніж на декілька тижнів вперед. Прогнози на тривалі терміни формулюються в іншій формі та вимоги до них інші - як правило для довгострокових прогнозів використовуються ймовірнісні формулювання та подання результатів у вигляді відхилень (аномалій) від деяких середніх показників за місяць, сезон тощо. Формально нічого не варто деталізувати, наприклад, прогноз на кілька тижнів вперед по добах або навіть за хвилинами, але ця «точність» буде «роздутою», тобто не буде забезпеченою реальними можливостями сучасних прогностичних технологій.
2. Неповнота та неточність даних про поточний стан атмосфери. Оскільки для складання прогнозу потрібно знати, що відбувається в атмосфері зараз (у початковий момент часу), то дані гідрометеорологічних спостережень є немовби «сировиною» для розрахунку прогнозу погоди. Для підготовки прогнозу на пару днів вперед треба мати дані про фактичну погоду на території з масштабами декількох тисяч кілометрів. А прогноз на тиждень і надалі вимагає вже інформації про те, що відбувається з погодою на всій земній кулі. При довгостроковому прогнозі доводиться розглядати майже всю кліматичну систему, куди входять атмосфера, океан і верхній шар суші. Поточний стан атмосфери ми знаємо лише приблизно, оскільки наші спостереження є неповними і неточними. У масштабі всієї планети мережа метео спостережень не є достатньо щільною, що особливо помітно в таких географічних регіонах, як океани, пустелі, високогірні райони, льодовий покрив у високих широтах. Крім того, закодовані погодні зведення можуть містити початкові помилки через людський фактор. Станції радіозондування розташовані приблизно на відстані 300 - 500 км одна від одної, а супутникові дані часто недостатньо точні. Можна, звичайно, підвищувати щільність метеорологічної мережі і тим самим зменшувати похибки вимірювань, але всеодно, можливості такої деталізації обмежені, тому наше знання поточного стану атмосфери ніколи не буде повним. На карті 2 наведено розподіл метеостанцій по земній кулі. Добре помітна нерівномірність покриття ними території – в одних регіонах їх досить багато, у той час як в інших – метеостанцій може не бути на відстанях в сотні кілометрів.
3. Недосконалість чисельних моделей та методів прогнозування. Як ми вже з'ясували, основним прогностичним інструментом на сьогоднішній день є чисельні моделі атмосфери – вони успішно відтворюють багато властивостей атмосфери і стають дедалі досконалішими. У таких складних програмних комплексах, які реалізуються на суперкомп'ютерах, враховуються всілякі фізичні процеси в самій атмосфері та на кордоні з підстильною поверхнею. Деякі фактори в моделях свідомо не враховуються через те, що вони менше впливають на успішність прогнозу. Інші ж спрощуються, оскільки їхній розрахунок потребує великих обчислювальних ресурсів. Серед факторів, що впливають, можна виділити більш і менш важливі, але, зрештою, облік безлічі «дрібниць» породжує нову якість прогнозів.
Істотним обмеженням є складність моделювання процесів дрібного масштабу, що зменшує ефективність вирахування багатьох небезпечних явищ. На сучасному етапі автоматизовані прогностичні технології не здатні прогнозувати деякі погодні явища, що мають локальний характер та складну природу утворення. З цієї причини такі явища як тумани, шквали, смерчі тощо, прогнозуються переважно спеціалістами-синоптиками на місцях, які добре знають умови їх утворення та розвитку в конкретному регіоні. Результати модельних розрахунків синоптики використовують як основу для складання остаточних, «офіційних» прогнозів погоди, що передбачають синтез досвіду фахівців та результатів різних прогностичних технологій. Тому роль синоптиків вкрай важлива і необхідна, їх не замінять навіть найдосконаліші технології. Нижче на фото 3 представлена система суперкомп'ютерів у обчислювальному центрі MetOffice, Великобританія.
Що стосується перспектив на майбутнє, то якість прогнозів поступово зростатиме паралельно з розширенням періоду корисного прогнозу, але ні в якій країні світу через десять або навіть сто років прогноз не буде ідеальним - просто тому, що можливості та знання людини обмежені. Тож метеорологам завжди буде чого прагнути. Це нагадує старовинну загадку про те, чи можна пройти шлях між двома точками, якщо спочатку подолати половину призначеної відстані, потім половину від відрізка, що залишився, потім ще половину і т.д. Відповідь зрозуміла: не можна, можна лише поступово наближатися до мети. Подібне трактування схоже багато в чому на принципи в квантовій механіці. Коли ми розглядаємо мікросвіт, ми ніколи не зможемо з точністю визначити положення в просторі і швидкість руху елементарної частинки. Ми можемо говорити лише про певний ступінь ймовірності, незважаючи на величезний прорив сучасних технологій.
Підготував Ігор Кібальчич, кандидат географічних наук, синоптик.
