Точный прогноз погоды на 71 день станет реальностью: ученые рассчитали абсолютный предел предсказуемости

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Современные метеорологические службы способны составлять точные прогнозы погоды на срок до двух недель. Начиная с пятнадцатого дня, качество расчетов существенно снижается, а результаты становятся неотличимыми от случайных совпадений. На протяжении последних шестидесяти лет в научном сообществе преобладало утверждение, что этот двухнедельный интервал является абсолютным пределом, заложенным самой природой, и преодолеть его невозможно.

Однако новое исследование группы физиков и метеорологов из Университета Майами, Принстонского университета и Китайской академии наук, опубликованное в научном журнале Advances in Atmospheric Sciences, полностью опровергает это представление. Авторы работы доказали, что прежний двухнедельный предел был результатом ошибок в компьютерных расчетах, а не законов физики.

Энергетический баланс Земли из космоса, вольная интерпретация
Энергетический баланс Земли из космоса, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Применив новый подход, основанный на расчете общего объема энергии в атмосфере Земли и скорости ее обновления, ученые установили: теоретический предел предсказуемости атмосферных процессов составляет 129 дней, а практическую точность ежедневных прогнозов погоды можно увеличить на 57 дней вперед — до двух с половиной месяцев.

Почему прежние методы оценки работали плохо

Чтобы понять смысл нового открытия, необходимо рассмотреть два метода, с помощью которых ученые ранее пытались определить предел предсказуемости.

Первый метод: поиск исторических аналогов

Суть этого подхода заключалась в анализе архивов погоды. Исследователи искали в прошлом день, когда температура, давление и скорость ветра над всей планетой максимально совпадали с сегодняшними показателями, и смотрели, как развивались события дальше.

Этот метод оказался неприменимым из-за высокой сложности атмосферы. Состояние воздуха над планетой описывается сотнями независимых параметров: температурой, влажностью и давлением на разных высотах и в разных точках Земли. Чтобы найти в истории два дня с одинаковыми показателями даже с учетом точности современных спутников, потребовался бы архив наблюдений за период, превышающий время существования Вселенной.

Второй метод: компьютерные модели с искусственной ошибкой

Во втором подходе ученые использовали суперкомпьютерные модели циркуляции атмосферы. В модель вводили текущие данные о погоде, а затем запускали вторую точно такую же модель, но с минимальным искусственным изменением — например, смещали значение температуры на тысячную долю градуса. После этого фиксировалась скорость, с которой результаты двух моделей начинали расходиться.

В этих экспериментах искусственная ошибка возрастала с огромной скоростью. На основе этого исследователи сделали вывод, что даже минимальная неточность в начальных измерениях полностью уничтожает прогноз за 15-20 дней.

Авторы нового исследования нашли ошибку в логике этих расчетов. Современные компьютерные модели делят поверхность Земли на вычислительные ячейки размером около 10 километров. Процессы, происходящие на меньших пространствах — от нескольких метров до сантиметров, модель напрямую не рассчитывает, а оценивает приблизительно.

Когда ученые вводили в компьютерную модель микроскопическую ошибку, алгоритмы не могли воспроизвести физические процессы трения и вязкости воздуха, которые в реальной природе гасят мелкие движения. В результате компьютер выдавал ложное, чисто математическое нарастание ошибки. Прежний предел предсказуемости в две-три недели был вызван несовершенством вычислительных программ, а не свойствами самой атмосферы.

Схема роста ошибки прогноза (логистическая кривая) в зависимости от времени. Ось Y: Величина ошибки прогноза относительно климатической нормы. Ось X: Заблаговременность прогноза в днях. Оранжевая линия: Динамика роста ошибки между прогнозом идеальной модели и реальностью. Сплошная часть: Реально наблюдаемый сегодня рост ошибки. Пунктирная часть: Теоретическая экстраполяция роста ошибки. Закрашенный красный круг: Текущий уровень начальной ошибки измерений в момент времени ноль. Закрашенный красный треугольник: Предел точности современных прогнозов (около 14 дней). Пустой синий круг: Предел уменьшения начальной ошибки на микроскопическом сантиметровом уровне (минус 57 дней от точки отсчета). Дальнейшее снижение ошибки невозможно. Пустой синий треугольник: Абсолютный верхний предел предсказуемости атмосферы (около 129 дней). Красная стрелка вверху: Историческое сокращение начальной ошибки с течением лет (прирост точности прогнозов составлял примерно 1 день за каждые 10 лет). (Интервалы от минус 56 до минус 14 и от 28 до 70 дней упущены на графике для наглядности).
Схема роста ошибки прогноза (логистическая кривая) в зависимости от времени. Ось Y: Величина ошибки прогноза относительно климатической нормы. Ось X: Заблаговременность прогноза в днях. Оранжевая линия: Динамика роста ошибки между прогнозом идеальной модели и реальностью. Сплошная часть: Реально наблюдаемый сегодня рост ошибки. Пунктирная часть: Теоретическая экстраполяция роста ошибки. Закрашенный красный круг: Текущий уровень начальной ошибки измерений в момент времени ноль. Закрашенный красный треугольник: Предел точности современных прогнозов (около 14 дней). Пустой синий круг: Предел уменьшения начальной ошибки на микроскопическом сантиметровом уровне (минус 57 дней от точки отсчета). Дальнейшее снижение ошибки невозможно. Пустой синий треугольник: Абсолютный верхний предел предсказуемости атмосферы (около 129 дней). Красная стрелка вверху: Историческое сокращение начальной ошибки с течением лет (прирост точности прогнозов составлял примерно 1 день за каждые 10 лет). (Интервалы от минус 56 до минус 14 и от 28 до 70 дней упущены на графике для наглядности).
Автор: ZHANG ET AL. Источник: link.springer.com
Новый подход: физика энергии и утрата информации

Авторы новой работы отказались от отслеживания ошибок в компьютерных программах и обратились к законам термодинамики. Они сформулировали критерий предсказуемости через физическое понятие времени замены энергии.

Атмосферу Земли можно описать как физическую систему, которая развивается по определенным законам механики и газодинамики. Если бы атмосфера была полностью изолирована от внешнего мира, информация о ее состоянии сохранялась бы неограниченно долго. Однако атмосфера постоянно получает энергию извне.

Главный источник внешнего воздействия — солнечное излучение. Солнечный свет состоит из частиц — фотонов. Квантовые характеристики и фазы отдельных фотонов, поступающих от Солнца, невозможно измерить или предсказать заранее. Входящий поток солнечной энергии работает как непрерывный источник физического случайного шума.

Процесс утраты информации в атмосфере происходит следующим образом:

  1. Солнечные фотоны попадают в атмосферу и нагревают отдельные молекулы газов и участки поверхности. На самых мелких масштабах — менее одного сантиметра — возникают случайные микроскопические изменения температуры и движения воздуха.
  2. В процессе движения воздуха эти микроскопические изменения начинают взаимодействовать с соседними объемами газа. Маленькие вихри объединяются и передают свое движение более крупным воздушным массам. Этот процесс в физике называется обратной передачей энергии по масштабам.
  3. Со временем случайный шум, начавшись с уровня миллиметров, распространяется на уровень метрических вихрей, затем на масштабы городских циклонов и, наконец, меняет движение гигантских планетарных воздушных волн.

Когда весь объем энергии, находившийся в атмосфере в начальный момент времени, полностью замещается новой энергией, поступившей от Солнца, атмосфера полностью теряет связь со своим прошлым состоянием. В этот момент любая информация для составления прогноза окончательно утрачивается.

Точные цифры: математический расчет предела

Для определения времени полной замены энергии (обозначим его как T) ученые использовали базовую формулу: объем энергии в системе делится на мощность входящего энергетического потока.

T = Полная энергия атмосферы / Мощность взаимодействующего потока

1. Расчет полной энергии атмосферы

Полная энергия атмосферы Земли складывается из четырех физических компонентов:

  • Внутренняя термодинамическая энергия (тепловое движение всех молекул воздуха) — составляет около 70,8% от общего объема.
  • Гравитационная потенциальная энергия (высота расположения воздушных масс над уровнем моря) — 26,6%.
  • Скрытая энергия фазовых переходов (энергия, удержанная в испарившейся воде) — 2,5%.
  • Кинетическая энергия (энергия движения всех ветров на планете) — 0,05%.

Суммирование всех четырех компонентов на основе многолетних измерений дает значение полной энергии атмосферы, равное 2,45 · 10⁹ Дж на каждый квадратный метр поверхности Земли.

2. Расчет взаимодействующего энергетического потока

Общий поток солнечной радиации, приходящий к Земле, равен примерно 340 Ватт на квадратный метр. Однако не вся эта энергия участвует во внутренних процессах атмосферы:

  • Около 100 Ватт на квадратный метр отражаются облаками и земной поверхностью обратно в космос без поглощения. Эта энергия не меняет состояние воздуха и в расчет не берется.
  • Около 20 Ватт на квадратный метр уходят от поверхности прямо в космос через так называемое «окно прозрачности» атмосферы, также не взаимодействуя с воздухом.

За вычетом отраженной и уходящей энергии остается поток, который непосредственно поглощается воздухом, сушей и океаном и вовлекается в атмосферную циркуляцию. Этот взаимодействующий поток равен 220,0 Ватт на квадратный метр.

3. Итоговый результат

Разделив полную энергию (2,45 · 10⁹ Дж/м²) на мощность потока (220,0 Вт/м²), ученые получили время: 11 136 363 секунды.

В переводе на обычные временные интервалы это составляет 129 дней (с учетом погрешностей измерений — от 122 до 136 дней). Это максимальный теоретический срок, в течение которого в атмосфере Земли сохраняется хотя бы минимальный след ее начального состояния.

Как 129 дней распределяются на практике

Число 129 дней означает крайнюю физическую границу, за которой прогноз невозможен в принципе. Чтобы понять, насколько можно увеличить точность привычных прогнозов погоды, необходимо обратиться к закономерностям роста ошибок.

Нарастание погрешности в прогнозах описывается симметричной математической кривой (логистической кривой). Поскольку эта кривая симметрична относительно своего центра, выигрыш в точности на начальном этапе дает точно такой же выигрыш на конечном этапе прогноза.

Структура полного 129-дневного интервала выглядит следующим образом:

  1. Текущий достигнутый уровень (14 дней). Это период, на который современные метеослужбы дают надежные детализированные прогнозы.
  2. Потенциал расширения точного прогноза (+57 дней). Если мы научимся измерять начальное состояние атмосферы без ошибок на микроскопическом уровне (вплоть до сантиметровых вихрей, где движение воздуха превращается в тепло), мы сместим начальную точку расчета. В силу симметрии кривой ошибок это даст прибавку в 57 дней к текущему результату. В результате срок точного ежедневного прогноза погоды (температура, осадки, ветер для конкретного города) составит 71 день (14 + 57), то есть свыше двух месяцев.
  3. Область крупномасштабного прогнозирования (еще +57 дней). Оставшаяся часть 129-дневного интервала (от 72 до 129 дня) не позволит узнать, пойдет ли дождь в конкретный час в конкретном месте. Однако на этом отрезке модели смогут предсказывать глобальные изменения — например, крупные атмосферные волны в тропиках, которые формируют движение циклонов над всей планетой на недели вперед.
Схема глобального энергетического баланса Земли (по данным исследований Стивенса и соавторов, 2012 год). Единицы измерения: Ватт на квадратный метр (погрешность измерений указана в скобках). Оранжевые стрелки: Коротковолновое солнечное излучение. Коричневые стрелки: Длинноволновое тепловое излучение. Светлые оттенки стрелок: Энергетические потоки, которые не взаимодействуют с атмосферой напрямую (отражаются обратно в космос или уходят через окно прозрачности). Синие стрелки в верхних углах: Доля входящей солнечной и исходящей тепловой энергии на верхней границе атмосферы, которая напрямую вовлекается во внутренние атмосферные процессы.
Схема глобального энергетического баланса Земли (по данным исследований Стивенса и соавторов, 2012 год). Единицы измерения: Ватт на квадратный метр (погрешность измерений указана в скобках). Оранжевые стрелки: Коротковолновое солнечное излучение. Коричневые стрелки: Длинноволновое тепловое излучение. Светлые оттенки стрелок: Энергетические потоки, которые не взаимодействуют с атмосферой напрямую (отражаются обратно в космос или уходят через окно прозрачности). Синие стрелки в верхних углах: Доля входящей солнечной и исходящей тепловой энергии на верхней границе атмосферы, которая напрямую вовлекается во внутренние атмосферные процессы.
Автор: ZHANG ET AL. Источник: link.springer.com
Информация, шум и физическая энтропия

С точки зрения теории информации, потеря предсказуемости погоды подчиняется фундаментальным законам физики.

Информация о состоянии атмосферы не появляется сама по себе. Она создается человеком в процессе сознательной работы: путем установки метеостанций, запуска спутников, сбора данных и математических вычислений. Напротив, физический шум поступает в систему автоматически вместе с солнечным светом.

Попадая в атмосферу, случайный шум от солнечного излучения постепенно разрушает структуру начальных данных. Этот процесс представляет собой информационное проявление второго начала термодинамики — закона возрастания энтропии (беспорядка). Подобно тому как тепло в изолированной системе постепенно распределяется равномерно, уничтожая разницу температур, так и солнечный шум постепенно превращает полезную информацию о начальном состоянии атмосферы в случайные колебания.

Природа задает жесткую верхнюю границу — 129 дней. Этот показатель зависит только от физических параметров планеты: массы атмосферы, ее способности удерживать тепло и мощности солнечного излучения. Человеческий фактор определяет лишь то, какую часть из потенциально доступных 57 дополнительных дней мы сможем освоить с помощью технологий.

Значение открытия для науки и экономики

Пересмотр пределов предсказуемости с двух недель до двух месяцев меняет подход к решению одной из самых сложных проблем современной метеорологии — так называемого «субсезонного интервала» (прогнозы на период от 2 до 8 недель).

Ранее этот интервал считался непрогнозируемым: для классического прогноза погоды он был слишком дальним, а для климатических моделей — слишком коротким. Доказательство того, что атмосфера сохраняет физическую память на этот срок, открывает практические возможности для нескольких сфер:

  • Сельское хозяйство. Возможность с высокой точностью определять засухи, заморозки или период затяжных дождей за два месяца до их начала позволяет корректировать сроки посевных работ и выбор культур.
  • Энергетика. Точный расчет температурных аномалий на два месяца вперед дает возможность заранее планировать нагрузки на энергосети, расходы газа и угля для отопления или объем воды в водохранилищах ГЭС.
  • Предотвращение чрезвычайных ситуаций. Службы гражданской обороны получают возможность заблаговременно готовиться к масштабным наводнениям, волнам жары и природным пожарам.

Чтобы реализовать этот потенциал на практике, ученым предстоит решить инженерные задачи: создать более плотные сети измерительных приборов, разработать новые математические методы обработки данных со спутников и увеличить детализацию компьютерных моделей, чтобы они корректно учитывали микроскопические процессы в воздухе. Физические законы природы больше не ограничивают прогноз погоды двухнедельным сроком.

Источник: Advances in Atmospheric Sciences

2 комментария

a
«Современные метеорологические службы способны составлять точные прогнозы погоды на срок до двух недель.» Правда что ли?)) Или это шутка такая? Нарисовать они этот «точный» прогноз конечно же могут. И отлично рисуют. А потом перерисовывают его каждые полчаса.)) Кто не верит — зайдите на гисметео, выберите прогноз на 3 дня хотя бы (или даже на 1 день!), а не на 2 недели и каждый час F5 жмите в броузере. Эти ребята(метеорологи) переобуваются в прыжке постоянно! 71 день, ну-ну))) Их горизонт более-менее похожий на правду это 3 часа! Даже не день!
B
Из собственного опыта могу сказать, что более менее точный прогноз получается на срок не более 3х дней, да и то точность снижается на десятки процентов от 1го до 3го дня. Эти прогнозы, как мне представляется, строятся на основании данных сети наземных датчиков-метеостанций, а также спутникового мониторинга. Более длительные периоды прогнозируют мат.модели и это чистое статистическое гадание (ну ОК — предсказание) на основе параметров, которые динамически меняются. Отсюда и постоянное уточнение прогноза. Сети наземных датчиков содержать довольно накладно, я думаю, да и спутников погоды у нас не так уж и много. Но это лишь мое предположение…

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Каспийское море потеряло территорию размером с Албанию: почему в последние годы вода отступает всё быстрее

Каспий теряет не просто воду. Он теряет территорию. За последние тридцать лет площадь крупнейшего озера планеты сократилась почти на 29 тысяч квадратных километров. Это территория, сопоставимая с...

Инженерное решение Sony CF-300: как опция Invisible Monitor упростила запись радио в 1971 году

В 1971 году японская корпорация Sony выпустила портативную радиомагнитолу Cassette Corder FM-AM CF-300. Монофонический кассетный магнитофон и радиоприемник супергетеродинного типа были размещены в...

И почему я не купил его раньше? Обзор геймпада GameSir G7 Pro 8K Champion Edition

Как истинный ПК-боярин, я предпочитаю играть на геймпаде и использую его практически во всех играх, за исключением различных шутеров (Дум, Колда и прочее), в них клавамыш forever. В качестве...

Обзор игровой мыши EPOMAKER NEX Lite

Компания Epomaker хорошо знакома любителям компьютерной периферии прежде всего благодаря механическим клавиатурам и сопутствующим аксессуарам. Однако в ассортименте производителя есть и игровые...

«Черный октябрь», когда ИИ чуть не хакнул половину интернета: главное за неделю

Самые интересные новости финансов и технологий в России и мире за неделю: найдена критическая дыра в PHP (на котором держится 70% интернета), ЦБ РФ не стал снижать ставку...

Кофе в турке без гадания на гуще: как одна и та же джезва может сварить и густой шоколад, и легкий ягодный чай

Приготовление кофе в джезве (турке) — старейший метод заваривания, при котором молотое зерно и вода находятся в одном сосуде на протяжении всего времени нагрева. В капельных кофеварках...