OD PRANOSTÍK K MODELOM
Dokážeme raz predpovedať počasie stopercentne?
Dokončenie z čísla 1/99

Eugen Lexmann

V druhej polovičke štyridsiatych rokov americký matematik maďarského pôvodu John von Neuman rozpoznal, že predpoveď počasia je úloha vhodná pre počítač. V Ústave pre pokročilé štúdie v Princetone sa obklopil skupinou meteorológov a v roku 1949 sa im podarilo na prvom elektronickom počítači ENIAC predpovedať výšku izobarickej hladiny 500 hPa pomocou barotropného modelu atmosféry. Odvtedy sa ťažisko výskumu v meteorológii postupne presúvalo na vývoj modelov atmosféry a zdokonaľovanie numerických prognóz.. Princíp predpovede na základe modelov atmosféry Procesy v atmosfére môžeme rozdeliť do troch kategórii. Do prvej patria tie javy, ktorých vývoj je závisí len od počiatočných podmienok, takže ich možno predpovedať len na krátku dobu dopredu. Ich opakom sú procesy, ktoré sú na počiatočných podmienkach nezávislé a pri ich predpovedi je vhodné sústrediť sa na zvláštnosti všeobecnej cirkulácie atmosféry. (Ak by všeobecná cirkulácia atmosféry nemala "zvláštnosti" mohli by sme namiesto dlhodobej predpovede používať klimatické normály). Medzi týmito extrémnymi prípadmi leží skupina procesov, pri ktorých sa nedá dosť dobre predpovedať, akým spôsobom sa budú počiatočné podmienky vyvíjať, ak sme od nich už dosť vzdialení. Na základe tohto kritéria môžeme rozčleniť predpovede na krátkodobé strednedobé a dlhodobé. V tomto článku sa budeme zaoberať len krátko- a stredne- dobými predpoveďami, teda takými, pri ktorých sa vychádza zo skutočných, počiatočných podmienok a súčasne treba brať zreteľ aj na spomínané zvláštnosti, najmä na meniace sa vonkajšie podmienky (radiačné pomery v atmosfére, zmena charakteru - vlhkosti povrchu po zrážkach, meniace sa chemické vlastnosti atmosféry a pod.). Najskôr si vytvoríme vhodný geometrický model atmosféry - priestorovú sieť uzlových bodov. Na základe meteorologických meraní vhodnou interpoláciou priradíme každému bodu siete pravdepodobnú počiatočnú hodnotu tlaku, teploty a vlhkosti, ako aj zložky vektoru prúdenia. Fyzikálne procesy v atmosfére sa dajú popísať niekoľkými termodynamickými a hydrodynamickými rovnicami. Takže vhodným spôsobom vykonaná časová integrácia týchto rovníc v bodoch priestorovej siete umožňuje vypočítať budúci stav atmosféry. Potom, na základe vypočítaných údajov môžeme vhodnou metódou tzv. parametrizácie "vypočítať" aj existenciu a intenzitu procesov, ktoré vedú k tvorbe vrstvevnatej či kopovitej oblačnosti a zrážok. Modely a ich vývoj O modeloch obyčajne hovoríme v množnom čísle, len v Európe je asi 5 významných stredísk, v ktorých sa pracuje na vývoji globálnych modelov. Zdá sa, že je to trieštenie síl, že by bolo rozumné dať hlavy dokopy a spraviť jeden dobrý. To sa však nedá, lebo sa nedá o niektorom postupe povedať, že je najlepší. Každý má nejakú výhodu, ale prináša aj nejaké komplikácie a nevýhody. Pri výpočtoch musíme robiť mnohé zjednodušenia, ktorými zavádzame do výpočtov také, či onaké nepresnosti a chyby. Pri parametrizácii narážame na nedostatky fyzikálnej formulácie a treba zdôrazniť, že niektorým javom v atmosfére ešte stále dosť dobre nerozumieme, resp. nevieme ich popísať matematicky. A konečne, aj keď výkonnosť výpočtovej techniky rastie, stále ešte treba hľadieť, aby výpočty netrvali príliš dlho. Pozrime sa teraz na niektoré zvláštnosti numerickej prognózy: Ak chceme vypočítať, aký bude stav atmosféry o niekoľko dní, musíme robiť výpočty na celej guli, lebo atmosféra je jeden celok. Hustejšia sieť uzlových bodov dáva presnejšie výsledky, ale tým sa zvyšujú nároky na výpočtový čas. Keďže vzdialenejšie oblasti (na odvrátenej strane Zeme) majú menší vplyv, ako bližšie, môžeme si dovoliť urobiť takú projekciu povrchu glóbu, pri ktorej je vzdialenosť uzlových bodov v "záujmovej oblasti" menšia, ako na odvrátenej strane Zeme. Pri súčasne používaných globálnych modeloch sú tieto vzdialenosti od desiatok do stoviek kilometrov. Prvé modely sa počítali len v niekoľkých výškových hladinách. Súčasné modely sa rátajú približne v 30-tich hladinách, pričom vzdialenosť hladín je pri povrchu menšia, lebo procesy pri povrchu sú dôležitejšie. Globálne modely dobre znázorňujú veľkopriestorové atmosferické "vlny" na dosť dlhé obdobie, sú však málo detailné. V ohraničenej oblasti, napríklad pre Európu, si môžeme dovoliť robiť výpočty aj v hustejšej sieti (približne 20 až 5 km) s menšími časovými krokmi integrácie rovníc (cca. 5 minút), takže aj výstupy - vypočítané polia meteorologických veličín sú detailnejšie a môžeme ich mať častejšie, napríklad aj po hodinách (pri globálnych modeloch sa výstupy robia zväčša len raz za 24 hodín). Príklad takéhoto výstupu - pole prízemného vetra pre Slovensko - je na pripojenom obrázku. Aby sa pri modeloch počítaných pre ohraničenú oblasť nešírili chyby z okrajov, oblasť "zarámujeme" a do tohto pásu vkladáme údaje vypočítané z globálneho modelu. Aj tak však spoľahlivosť výpočtov týchto, tzv. lokálnych modelov klesá omnoho rýchlejšie, ako globálnych. Aby som čitateľa utvrdil v predstave, že modely sú naozaj nesmierne komplikované, spomeniem, že pre každú jednotkovú plochu povrchu Zeme sa musí vypočítať, aké množstvo slnečného žiarenia na ňu dopadá v jednotlivých častiach dňa, koľko sa z nej odrazí od oblakov, koľko pohltí v atmosfére, koľko dopadne na povrch a podobne počítame toky dlhovlnného žiarenia z povrchu a z atmosféry v oboch smeroch. Ako spomínané "vonkajšie podmienky" pristupujú k výpočtom aj výstupy z modelu oceánov (termodynamika), model povrchu pevniny (orografia, vegetačné pokrytie, vlhkosť povrchu pôdy aj vlhkosť v hĺbke koreňovej sústavy stromov, vegetačné fázy - či sú lesy olistené alebo nie a pod.). Skúsenosti ukazujú, že výpočty sú obyčajne veľmi citlivé na voľbe počiatočných podmienok. Ak zadáme do modelu mierne pozmenené (nepresné alebo chybné) dáta, môžeme dostať úplne inu predpoveď. Sú však aj také meteorologické situácie, ktoré sa vyznačujú vysokou predpovedateľnosťou, tzn. že ani pri úmyselnom zavedení "chýb" nedostaneme podstatnejšie odlišnú predpoveď. Táto "vlastnosť" atmosféry sa využíva tak, že necháme proces integrácie rovníc prebehnúť viackrát, raz s pôvodnými nameranými dátami a niekoľko krát tak, že ich (zase) vhodne mierne umelo pozmeníme. Potom môžeme o predpovedi povedať, či má vyššiu alebo nižšiu pravdepodobnosť splnenia. Konečné možnosti numerických predpovedí Synoptická metóda umožňovala vydávať pomerne presné predpovede počasia na jeden, dva dni a menej presné vyhliadky na ďalší 1 až 2 dni (podľa situácie). Na základe matematicko fyzikálnych modelov atmosféry môžeme v súčasnosti už dosť presne predpovedať počasie na 2 - 3 dni a výhľadovo až na 7 - 10 dní, pričom dosť často sú tieto výhľady aj dosť presné. V 50-tych a 60-tych rokoch sa šíril aj prehnaný optimizmus, že zvyšovaním presnosti meraní, zahustením siete meteorologických staníc, využívaním informácií z umelých družíc a pod., budeme raz, pomocou veľmi výkonných počítačov schopní predpovedať počasie na dostatočne dlhú dobu, ba dokonca, že počasie budeme môcť akosi kontrolovať a modifikovať. Dnes je jasné, že takýto stav je veľmi málo pravdepodobný. Avšak na druhej strane, teoretici na základe štúdií rastu chýb v modeloch odhadujú, že hranica predpovedateľnosti leží niekde medzi troma až štyrmi týždňami.