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

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.

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.

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.

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