Shutterstock
De wetenschap van weersvoorspellingen staat elke dag onder publieke controle. Als de voorspelling right is, geven we zelden commentaar, maar we klagen vaak snel als de voorspelling verkeerd is. Krijgen we ooit een perfecte voorspelling die tot op het uur nauwkeurig is?
Bij het opstellen van een weersvoorspelling komen veel stappen kijken. Het begint zijn leven als een globale “momentopname” van de atmosfeer op een bepaald minute, in kaart gebracht op een driedimensionaal raster van punten die de hele wereld omspannen en zich uitstrekken van het oppervlak tot de stratosfeer (en soms hoger).
Achieved behulp van een supercomputer en een geavanceerd product dat het gedrag van de atmosfeer beschrijft satisfied natuurkundige vergelijkingen, wordt deze momentopname vervolgens naar voren in de tijd gestapt, waardoor vele terabytes aan onbewerkte voorspellingsgegevens worden geproduceerd. Het is dan aan menselijke voorspellers om de gegevens te interpreteren en om te zetten in een zinvolle voorspelling die aan het publiek wordt uitgezonden.
Het al dan niet in het weer
Het weer voorspellen is een enorme uitdaging. Om te beginnen proberen we iets te voorspellen dat inherent onvoorspelbaar is. De atmosfeer is een chaotisch systeem – een kleine verandering in de toestand van de atmosfeer op de ene locatie kan in de loop van de tijd elders opmerkelijke gevolgen hebben, wat doorway een wetenschapper werd vergeleken satisfied het zogenaamde vlindereffect.
Elke fout die zich in een prognose ontwikkelt, zal snel groeien en op grotere schaal verdere fouten veroorzaken. En omdat we veel aannames moeten doen bij het modelleren van de atmosfeer, wordt duidelijk hoe gemakkelijk voorspellingsfouten kunnen ontstaan. Voor een perfecte voorspelling zouden we elke afzonderlijke fout moeten verwijderen.
De Grote Storm van oktober 1987: toen voorspellers het bij het verkeerde eind hadden.
De voorspellingsvaardigheid is verbeterd. Moderne voorspellingen zijn zeker veel betrouwbaarder dan vóór het supercomputertijdperk. De vroegste gepubliceerde voorspellingen in het VK dateren uit 1861, toen Robert Fitzroy, officier van de Royal Navy en scherp meteoroloog, voorspellingen begon te publiceren in The Moments.
Zijn methoden omvatten het tekenen van weerkaarten fulfilled behulp van observaties van een klein aantal locaties en het maken van voorspellingen op foundation van hoe het weer in het verleden evolueerde toen de kaarten vergelijkbaar waren. Maar zijn voorspellingen waren vaak verkeerd, en de pers was meestal snel fulfilled kritiek.
Een weerkaart voorspelt de atmosferische druk boven Europa, december 1887.
Wikimedia Commons
Er werd een grote sprong voorwaarts gemaakt toen in de jaren vijftig supercomputers werden geïntroduceerd in de voorspellingsgemeenschap. Het eerste computermodel was veel eenvoudiger dan dat van vandaag en voorspelde slechts één variabele op een raster fulfilled een afstand van meer dan 750 km.
Dit werk maakte de weg vrij voor moderne voorspellingen, waarvan de principes nog steeds gebaseerd zijn op dezelfde benadering en dezelfde wiskunde, hoewel modellen tegenwoordig veel complexer zijn en veel meer variabelen voorspellen.
Tegenwoordig bestaat een weersvoorspelling meestal uit meerdere operates van een weermodel. Operationele weercentra gebruiken meestal een globaal model achieved een rasterafstand van ongeveer 10 km, waarvan de output wordt doorgegeven aan een product met een hogere resolutie dat around een lokaal gebied loopt.
Om een idee te krijgen van de onzekerheid in de voorspelling, voeren veel weercentra ook een aantal parallelle voorspellingen uit, elk fulfilled kleine wijzigingen in de initiële momentopname. Deze kleine veranderingen groeien tijdens de voorspelling en geven voorspellers een schatting van de kans dat er iets gebeurt, bijvoorbeeld de procentuele kans dat het regent.
De toekomst van prognoses
Het tijdperk van de supercomputer is cruciaal geweest voor de ontwikkeling van de wetenschap van weersvoorspellingen (en zelfs klimaatvoorspellingen). Moderne supercomputers zijn in staat om duizenden biljoenen berekeningen per seconde uit te voeren en petabytes aan gegevens op te slaan en te verwerken. De Cray-supercomputer van het Britse Satisfied Office environment heeft de verwerkingskracht en gegevensopslag van ongeveer een miljoen Samsung Galaxy S9-smartphones.
Dit betekent dat we de rekenkracht hebben om onze modellen met hoge resoluties uit te voeren en meerdere variabelen in onze prognoses op te nemen. Het betekent ook dat we meer invoergegevens kunnen verwerken bij het genereren van onze eerste “snapshot”, waardoor we een nauwkeuriger beeld van de atmosfeer krijgen om de voorspelling mee te beginnen.
Deze vooruitgang heeft geleid tot een toename van de voorspellingsvaardigheid. Een mooie kwantificering hiervan werd gepresenteerd in een Mother nature-studie uit 2015 door Peter Bauer, Alan Thorpe en Gilbert Brunet, waarin de vooruitgang in weersvoorspelling werd beschreven als een “stille revolutie”.
Moderne meteorologen gebruiken satellietgegevens van de atmosfeer van de aarde om het weer te volgen terwijl het zich ontwikkelt.
Shutterstock
Ze laten zien dat de nauwkeurigheid van een vijfdaagse voorspelling tegenwoordig vergelijkbaar is met die van een driedaagse voorspelling van ongeveer 20 jaar geleden, en dat we elk decennium ongeveer een dag aan vaardigheid winnen. In wezen zijn de driedaagse voorspellingen van vandaag even nauwkeurig als de tweedaagse voorspelling van tien jaar geleden.
Maar is het waarschijnlijk dat deze toename van vaardigheden zich in de toekomst zal voortzetten? Dit hangt mede af van welke vooruitgang we kunnen boeken achieved supercomputertechnologie. Snellere supercomputers betekenen dat we onze modellen achieved een hogere resolutie kunnen draaien en nog meer atmosferische processen kunnen weergeven, wat in theorie leidt tot een verdere verbetering van de voorspellingsvaardigheid.
Volgens de damp van Moore verdubbelt onze rekenkracht sinds de jaren zeventig elke twee jaar. Dit is echter de laatste tijd aan het vertragen, dus andere benaderingen kunnen nodig zijn om toekomstige vooruitgang te boeken, zoals het verhogen van de rekenefficiëntie van onze modellen.
Zullen we het weer ooit achieved 100% nauwkeurigheid kunnen voorspellen? Kortom, nee. Er zijn 2×10⁴⁴ (200.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) moleculen in de atmosfeer in willekeurige beweging – proberen ze allemaal weer te geven zou ondoorgrondelijk zijn. De chaotische aard van het weer betekent dat zolang we aannames moeten doen about processen in de atmosfeer, er altijd de mogelijkheid is dat een product fouten ontwikkelt.
Vooruitgang in weermodellering kan deze statistische representaties verbeteren en ons in staat stellen realistischere veronderstellingen te maken, en snellere supercomputers kunnen ons in staat stellen om meer information of resolutie aan onze weermodellen toe te voegen, maar de kern van de voorspelling is een design dat altijd nodig is enkele aannames.
Zolang er echter onderzoek wordt gedaan naar het verbeteren van deze aannames, ziet de toekomst van weersvoorspellingen er rooskleurig uit. Hoe dicht we bij de perfecte voorspelling kunnen komen, valt echter nog te bezien.
Jon Shonk ontvangt financiering van NERC en is verbonden aan het Countrywide Centre for Atmospheric Science.