Фабрики за времето

Най-добрата прогноза е 3-дневната, професионалните метеорологични служби не биха дали прогноза за повече от 7 дни

Така изглежда началото според снимка от архива на Техническата
библиотека на армията на САЩ

В началото на XX век са направени първите опити за числена прогнози на времето. През Първата световна война един английски математик, физик и метеоролог – Луис Ричардсън, си поставя за задача да разработи числен метод, с който да реши уравненията на времето. Те са формулирани от друг колос в метеорологията, Вилхелм Бьоркнес – един от основателите на норвежката школа за прогноза на времето.
В статията си от 1904 г. „Задачата за прогноза на времето от гледна точка на механиката и математиката“ той казва, че прогнозата за времето е физична задача, която може да се реши математически. Уравненията на времето са за движение, за запазване енергията на масата и за идеалния газ. С тях се прогнозират величини като вятър, налягане, температура, плътност и влажност на въздуха. Това разказва доц. Гергана Герова от Физическия факултет на СУ „Св. Кл. Охридски“.
На Ричардсън му отнема 3 години да разработи числен метод, за да реши тези уравнения. Шест седмици прилага своя метод, за да направи прогноза за един ден през май 1910 г. – 20 май. Избира района на Германия и околните държави и разработва мрежа от клетки. В центъра на всяка от тях пресмята алтернативно налягане, вятър и решава уравнението за всяка от тези клетки. Районът е избран неслучайно – в началото на века там вече работят първите станции с регулярни измервания на метеорологичните параметри – Хамбург, Аахен, Цюрих, Страсбург, Мюнхен, и Линденберг – меката на метеорологията, първата обсерватория в Германия, основана преди малко над 110 години. Ричардсън прави прогноза за налягането в 6-часов интервал и очаква то да се повиши със 145 хектопаскала. Но установява с голямо разочарование, че експериментът е неуспешен – за този интервал налягането почти не се изменя. Въпреки това той си остава бащата на числената прогноза на времето. Грешката му се дължи на началните условия, с които започва решенията си, и по-скоро в липсата на баланс между полето на налягането и вятъра. Така метеоролози, математици и физици научават урока колко важни са началните условия за прогнозата на времето, подчертава доц. Герова.

Ключова дата в числената прогноза на времето е 1922 г., когато Ричардсън публикува своята книга „Прогноза на времето с числен способ“ и формулира мечтата си за създаване на
фабрики за времето. Той пресмята, че за да работи една такава фабрика и за да може да прогнозира времето със скоростта, с която то се променя, ще са необходими 64 000 добре обучени математици, за да решават с лист и химикалка в ръка системните уравнения на Бьоркнес.
Мечтата му за фабрики за времето сбъдват американски учени, които създават първата машина за прогноза за времето. Всъщност това е първият компютър ENIAC, който заработва през 1945 г. Пет години по-късно екип от учени, оператори и техници успява да реализира и първата числена прогноза на времето. Така от 1950 г. се поставя началото на прогнозата на времето с компютър, каквато я познаваме днес, подчертава доц. Герова. Първата фабрика за времето е създадена в родината на Ричардсън – Метеорологичната служба на Великобритания. Там през 1952 г. се реализира първата числена прогноза на времето. Самият Ричардсън доживява да види резултата от своя труд. Във фабриката за времето работи екип от много хора, който използва най-новите за тогава технологии.
„През 2000 г. започнах работа като докторант в Швейцарската метеорологична служба, видях как работи една съвременна фабрика за времето и бях много впечатлена – разказва доц. Герова. – Мрежата от клетки беше центрирана около Швейцария, голяма част от Западна Европа, от Средиземноморието и от Атлантическия океан. Още тогава хоризонталната ѝ резолюцията беше много голяма – клетките бяха с големина 7 км на 7 км – за да се покрие тази голяма област, са необходими 384 на 325 клетки. Но атмосферата е тримерен обект и трябва да решаваме уравненията и във височина. Затова се използват и 45 вертикални нива. Като се умножи броят на клетките по броя на нивата, се получава впечатляващата цифра от 5 млн. точки, за които трябва да се решават уравненията на Бьоркнес. И това е само началото. За да се направи една прогноза на времето реалистична, численият модел в най-общия случай се пуска със стъпка от 30 секунди. Това означава за 1 час да имате 120 итерации (повторения). Ако искате да пресметнете 48-часова прогноза, трябва тези 120 итерации да ги умножите по 48 часа. Задача от подобен мащаб се реализираше на суперкомпютър, какъвто тогава Швейцария притежаваше. Като докторант, работех по проект, свързан с числени експерименти с този модел, и имах достъп дистанционно до този суперкомпютър. Бях изненадана през един от дните, когато получих на екрана съобщение, че всички задачи на суперкомпютъра ще бъдат временно спрени, тъй като задача с висок приоритет на Швейцарската метеорологична служба за оперативна прогноза на времето трябва да се сметне в близките
3 часа и тя ще консумира всички ресурси на компютъра. Това ми показа, че водещите служби по света работят с най-добрите компютри.“
Поучени от грешката на Ричардсън навремето, учените се фокусират върху качествената диагноза, която е много важна. За да се опише максимално точно състоянието на атмосферата, от решаващо значение са наблюденията, казва доц. Герова. Мечтата на всеки метеоролог моделиер е да си направи своя мрежа от клетки и във всяка клетка да получи наблюдения за стойността на 5-те величини, които ще прогнозира. Но затова се изисква солиден финансов ресурс. Затова по света има много клетки и малко наблюдения и учените се стремят максимално да използват информацията от тях. Например атмосферата не е само близо до земната повърхност и се налага да се прави точна диагноза и във височина, особено ако става въпрос за влажността на въздуха, която основно е в долните 5 км. Тук много важни са наблюденията от т.нар. аерологични сондажи – това са балони с прикачени сензори, които издигайки се във височина, измерват температура, влажност, вятър и налягане.
С тези профили специалистите могат максимално точно да опишат началното състояние на числената прогноза.
„Количеството на тези наблюдения е силно ограничено, тъй като са скъпи и на практика дори и богатите държави не могат да си позволят да имат повече от една такава – уточнява доц. Герова. – Затова местата за тези наблюдения са по-малко – около 800 глобално. Синоптичните наблюдения се осъществяват с клетки със сензори за температура, скорост на вятъра, влажност, барометри. Много наблюдения се правят в Северното полукълбо, но за тях са необходими хора, които да ги отчитат, има и автоматични станции. Тези наблюдения са с продължителност от 100 и повече години. Втората революция в метеорологията е свързана с развитието на технологиите и спътниковите мисии. Метеоролозите сме първи, които използваме спътниците още от 60-те години на XX век.
В метеорологията се използват два вида спътници. Едните са геостационарни – въртят се заедно със земята и наблюдават една и съща област. Този от тях, който обслужва Европа, се намира над Екватора и сканира плюс-минус 60 градуса на север и на юг. Цялото земно кълбо е покрито с такива наблюдения. Но не и полярните райони, затова се разработват и втори вид спътници с постоянна орбита, но между двата полюса. Темата на моята докторантура беше за подобряване на числения модел, като се използват наблюденията от глобалните навигационни спътникови системи като GPS например. Днес голям набор от нови наблюдения от нетрадиционни източници се разработват за използване в числената прогноза на времето, като публични мрежи, широк спектър от евтини устройства, включително мобилни телефони. Най-важното за една фабрика за прогноза на времето е да има суперкомпютър, данни от наблюдения, алгоритъм за получаване на максимално добри начални условия. През 2015 г. в сп. „Нейчър“ излезе статията на Питър Бауер, озаглавена „Тихата революция“, за числената прогноза на времето. Изследване, обхващащо периода 1981 – 2014 г., доказва, че най-добрата прогноза оттогава до днес е 3-дневната. Следващата е 5-дневната, а след 2000 г. и 7-дневната има степен на сбъдване от 70%. На 10-дневната не може да се разчита, професионалните метеорологични служби не биха дали прогноза за повече от 7 дни.“

Дигиталният близнак на Земята

През март т.г. започва много важен европейски проект – „Дигиталният близнак на Земята“, казва доц. Герова. За него ръка си подават трите водещи центъра в Европа – Европейският център за средносрочна прогноза на времето (ECMWF), Европейската организация за разработване на метеорологични спътници (EUMETSAT) и Европейската космическа агенция (ESA), която изстрелва метеорологични спътници. Този мащабен проект, финансиран от Европейската комисия, ще бъде част от осигуряването на така популярната вече зелена сделка, която Европа се е ангажирала да реализира. Проектът си поставя много амбициозна задача. Той включва центровете за средносрочна прогноза на времето, но за да има прогноза и за изменения в климата, трябва да се интегрират наблюдения и за океани, ледени шапки, литосферата. Интегрирани ще бъдат и съществуващите дигитални модели на компонентите на климатичната система. Проектът ще осъществи и събиране на данни от различни наблюдения, включително и сеизмични, като една от целите е те да се използват за подобряване на прогнозата на вулканични изригвания, така важни за авиацията. Целта на Проекта е да затвори веригата диагноза – прогноза – продукт – краен потребител. Това ще даде възможност на ЕК да управлява процесите на зелената сделка в различните икономически облас-
ти – здравеопазване, туризъм, транспорт, застраховане и земеделие. „Дигиталният близнак на Земята“ ще позволи и създаването на нови фабрики на климатичната система.