Aké sú limity predpovedania počasia? Oveľa vyššie, než sa predpokladalo

Keď si skontrolujete predpoveď počasia na výlet o dva týždne, dostávate sa na samú hranicu toho, čo dokáže akýkoľvek meteorologický model povedať. Desaťročia meteorológovia túto hranicu považovali takmer za prírodný zákon. Nová štúdia však odhaduje teoretický limit na približne 129 dní – teda niečo vyše štyroch mesiacov.

Zdroj: esa.int, Arktická meteorologická družica v akcii – svetelné stĺpy

Podľa tohto zistenia je dnešný dvojtýždňový horizont predpovedí skôr faktom o našich prístrojoch než o samotnej atmosfére. Autori k tomuto číslu dospeli bez toho, aby spustili čo i len jednu predpoveď – vychádzali z toho, koľko energie atmosféra obsahuje a ako rýchlo ju slnečné žiarenie dopĺňa.

Štúdiu viedol Wei Zhang, klimatológ z Rosenstielovej školy Univerzity v Miami a z Kooperatívneho inštitútu pre morské a atmosférické štúdie (CIMAS) pri NOAA. Spoluautorom je Zoltan Toth, nedávno odišiel do dôchodku z Laboratória globálnych systémov NOAA.

Kde sú hranice predpovedania počasia

Meteorológovia dokázali posunúť užitočný rozsah dennodenných predpovedí za hranicu 10 dní, pričom tento rozsah rastie približne o jeden deň za desaťročie. O tom, kde sa tento nárast zastaví a ako ďaleko dopredu vôbec možno predpovedať počasie, sa vedie diskusia od 60. rokov 20. storočia.

Edward Lorenz, ktorý zistil, ako sa nepatrný rozdiel v počiatočných podmienkach modelu premení na úplne odlišný výsledok, kedysi navrhoval odhad niekoľkých týždňov. Neskôr sám priznal, že tento odhad bol „vysoko špekulatívny".

Výskumníci, ktorí pracujú s dnešnými predpovednými modelmi, dochádzajú k podobným záverom. Mierne pozmenia počiatočný stav modelu o hodnotu 10 až 100-krát menšiu, než je neistota v reálnych pozorovaniach, a potom sledujú, ako rýchlo sa rozdiel zväčšuje. Výsledkom je odhad ďalších dvoch až piatich dní navyše – maximálne.

Všetky tieto odhady však stoja na niečom, čo nikto nikdy nevidel. „Ako môžeme tvrdiť, že dokážeme urobiť niečo ako spoľahlivé veľmi dlhodobé predpovede, keď to nedokážeme reálne preukázať?" pýta sa Zhang. Takto malé chyby neboli nikdy pozorované a ani teória, ani simulácie nevedia s istotou povedať, ako sa správajú. Podľa Totha chcel tím na problém pozrieť z iného uhla.

Slnečné žiarenie určuje prekvapivú hranicu

Predstavme si najprv nemožnú verziu: ak by sme presne poznali stav atmosféry v jednom okamihu a rovnice popisujúce jej vývoj by boli dokonalé, predpoveď by nikdy neodbočila od reality. Zajtrajšok by jednoducho vyplýval z dneška – navždy.

Neistotu do systému vnáša práve prichádzajúce slnečné žiarenie. Všetko, čo sa v atmosfére deje, poháňa energia zo Slnka, ktorá prichádza vo forme fotónov – jednotlivých svetelných „balíčkov". Každý z nich nesie jemné detaily určené podmienkami vo vnútri hviezdy vzdialenej milióny kilometrov, a tím tieto detaily považoval za odtiaľto principiálne nepoznateľné.

Spočiatku tieto fotóny narúšajú len tie najmenšie pohyby vzduchu – premiešavanie, ktoré prebieha v mierke pod približne jeden centimeter. Atmosféra si však jednotlivé mierky navzájom neoddeľuje. Energia postupne prechádza z drobných vírov do väčších, potom do lokálneho počasia a napokon do vzorcov, ktoré zasahujú celé kontinenty. Kým sa energia dostane až sem, z pôvodne dokonalého „snímku" atmosféry už nič neostáva.

Nový spôsob výpočtu hranice

Autori potrebovali len dve merateľné veličiny, ktoré vedci poznajú už desaťročia – obe pochádzajú z energetickej bilancie atmosféry, teda z priebežného účtovania toho, koľko energie planéta prijme od Slnka a koľko jej vyžiari späť do vesmíru.

Prvou veličinou je celková energia atmosféry, ktorá zahŕňa všetko: teplo vo vzduchu, pohyb vetra, vodnú paru čakajúcu na kondenzáciu aj výšku vzduchového stĺpca nad zemou. Toto číslo predstavuje približne 2,45 miliardy joulov na každý štvorcový meter planéty.

Druhou veličinou je rýchlosť, akou Slnko túto energiu dopĺňa. Na vrchnú hranicu atmosféry dopadá približne 340 wattov na štvorcový meter. Mraky a svetlý povrch Zeme veľkú časť tohto žiarenia odrazia priamo späť do vesmíru a tenký zlomok tepla stúpajúceho z povrchu unikne cez „medzeru" v atmosfére bez toho, aby čokoľvek ohrial. To, čo zostane, rozpohybuje vzduch – a je to približne 220 wattov. Predstavte si niečo vyše dvoch starých 100-wattových žiaroviek, ktoré svietia na plôšku s rozlohou jedného štvorcového metra, dňom i nocou.

Keď celkovú energetickú zásobu vydelíme touto rýchlosťou doplňovania, vyjde 129 dní, plus mínus týždeň.

Užitočné predpovede by mohli siahnuť ešte ďalej

Podľa definície autorov ostávajú dnešné predpovede užitočné približne 14 dní, čo znamená, že z 129 dní zostáva nevyužitých približne 115. Autori tento zvyšok rozdelili na dve polovice.

Tá lepšia polovica predstavuje potenciálne predĺženie o približne 57 dní. Presnosť, akú má dnes päťdňová predpoveď, by sa tak mohla objaviť až na 62. deň.

Druhá polovica má oveľa menšiu hodnotu. Prejavila by sa na samom konci predpovede len ako slabý náznak zručnosti pri najväčších a najpomalších vzorcoch v atmosfére – a tie majú len málo spoločné s tým, či bude pršať vo vašom meste. Autori očakávajú, že táto časť by mohla poslúžiť skôr odborníkom než širokej verejnosti.

Aj tá lepšia polovica je oveľa väčšia než súčasné odhady. Číslo 57 dní je približne desaťkrát vyššie ako to, čo pripúšťajú dnešné modelovacie štúdie.

Štyri mesiace zostávajú zatiaľ len teóriou

Ide o výpočet, nie o experiment, a jeho podmienky sú ideálne. Autori predpokladajú dokonalý model, dokonalý počiatočný „snímok" atmosféry a presnú znalosť toho, čo urobí oceán a pevnina. Jediné, čo sa v tomto scenári môže „pokaziť", je neznámy detail v prichádzajúcom slnečnom žiarení.

Obe použité energetické hodnoty sú menej pevné, než sa na prvý pohľad zdá. Neistota v celkovej energii atmosféry bola stanovená skôr úsudkom než meraním a autori ju zámerne nastavili o niečo širšie, než je rozdiel medzi dvoma publikovanými odhadmi.

Autori sa tiež obmedzili len na jeden typ predpovedí – taký, ktorý určuje napríklad utorkovú maximálnu teplotu na konkrétnom mieste. Sezónny výhľad funguje na inom, pomalšom princípe – najmä na teplote oceánu – a tento prípad autori zámerne vynechali.

Zhangov tím už pracuje na samostatných odhadoch, ktorými chce toto číslo overiť; sami autori zdôrazňujú, že potrebuje nezávislú kontrolu. Výskumníci totiž stále nedokážu pozorovať, ako sa správajú chyby menšie než tie dnešné, a tento prístup tento problém skôr obchádza, než rieši.

Či meteorológovia niekedy dokážu tieto ďalšie týždne skutočne získať, závisí od lepších prístrojov a lepších modelov – možno aj s pomocou umelej inteligencie. Zatiaľ sa tempo zlepšovania drží pri približne jednom dni za desaťročie.

Štúdia bola publikovaná v časopise Advances in Atmospheric Sciences.