Πώς λειτουργεί η πρόγνωση καιρού;

Μετεωρολογικοί σταθμοί, δορυφόροι, θαλάσσιες σημαδούρες, εμπορικά αεροσκάφη και πλοία συγκεντρώνουν δεδομένα από όλο τον κόσμο. Συνολικά, δισεκατομμύρια παρατηρήσεις γίνονται κάθε μέρα. Η επεξεργασία αυτών των δεδομένων με υπερυπολογιστές είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη του καιρού στη Βόρεια Αμερική. Η πρόβλεψη επικείμενων ανεμοστρόβιλων και άλλων καταστροφικών καιρικών φαινομένων κάνει τη διαφορά μεταξύ ευημερίας και καταστροφής.

Κάθε φορά που αποφασίζουμε να βγούμε έξω από την εξώπορτά μας, συνήθως ελέγχουμε την πρόγνωση της ημέρας. Συνήθως το κάνουμε αυτό μέσω των ειδήσεων ή με τη βοήθεια των κινητών μας τηλεφώνων. Αυτός ο καθημερινός έλεγχος μας βοηθά να αποφασίσουμε αν χρειαζόμαστε ομπρέλα ή γυαλιά ηλίου. Η πρόγνωση καιρού ειδοποιεί επίσης τους ανθρώπους για ορισμένα καιρικά φαινόμενα που αναμένονται στο μέλλον, ώστε να προετοιμαστούν για αυτό. Η πρόγνωση του καιρού έχει κάνει τη ζωή μας πολύ πιο εύκολη, αλλά έχετε αναρωτηθεί ποτέ πώς γνωρίζουν αυτά τα καταστήματα τι καιρό θα είναι;

Πώς λειτουργεί η πρόγνωση καιρού;

Λήψη δεδομένων από διαφορετικές πηγές

Η απάντηση σε αυτό το διαχρονικό ερώτημα για το πώς λειτουργεί η πρόγνωση καιρού έχει τις ρίζες της στα δεδομένα παρατήρησης, τη μαθηματική μοντελοποίηση και τους υπολογισμούς. Διάφορες πηγές, όπως μετεωρολογικοί σταθμοί, δορυφόροι, θαλάσσιες σημαδούρες, εμπορικά αεροσκάφη και πλοία συγκεντρώνουν δεδομένα από όλο τον κόσμο. Ναι, ακόμη και οι πτήσεις με εμπορικά αεροπλάνα αποτελούν πηγή δεδομένων! Συνολικά, δισεκατομμύρια παρατηρήσεις γίνονται κάθε μέρα.

Η πρόβλεψη καιρού χρησιμοποιώντας τόσα πολλά σημεία δεδομένων είναι ιδιαίτερα σημαντική για την πρόβλεψη του καιρού στη Βόρεια Αμερική, η οποία συχνά αντιμετωπίζει σκληρές αντιξοότητες του καιρού. Ιδιαίτερα στις ΗΠΑ, με την απέραντη χερσαία μάζα και το φάσμα των κλιματικών συνθηκών, είναι πιο επιρρεπείς σε χαλαζοπτώσεις, ξαφνικές πλημμύρες και ανεμοστρόβιλους από πολλές άλλες περιοχές. Διακυβεύονται οι ζωές πενήντα εκατομμυρίων ανθρώπων που ζουν μόνο στις παράκτιες κομητείες, οι οποίες είναι ιδιαίτερα επιρρεπείς στους τυφώνες. Η πρόβλεψη επικείμενων ανεμοστρόβιλων και άλλων καταστροφικών καιρικών φαινομένων από νωρίς κάνει τη διαφορά μεταξύ ευημερίας και καταστροφής—μεταξύ ζωής και θανάτου!

Επεξεργασία αυτών των δεδομένων με υπερυπολογιστές

Οι κανονικοί υπολογιστές ή ο φορητός υπολογιστής που χρησιμοποιούμε για την καθημερινή μας εργασία δεν είναι πραγματικά κατάλληλοι για να εργαστούν με τον τεράστιο όγκο δεδομένων καιρού που παράγονται από διάφορα όργανα. Οι περισσότερες μετεωρολογικές υπηρεσίες αυτές τις μέρες χρησιμοποιούν υπερυπολογιστές με εκπληκτική υπολογιστική ικανότητα. Οι υπερυπολογιστές της Εθνικής Υπηρεσίας Ωκεανών και Ατμόσφαιρας (NOAA), για παράδειγμα, μπορούν να ολοκληρώσουν 2,8 τετράκις δισεκατομμύρια υπολογισμούς (ναι, σωστά διαβάσατε. 1 τετράκιο είναι 1015) κάθε δευτερόλεπτο! Αυτοί οι υπερυπολογιστές έχουν πλέον γίνει κρίσιμοι για τη δημιουργία παγκόσμιων προβλέψεων.

Οι υπερυπολογιστές είναι προγραμματισμένοι να χρησιμοποιούν μαθηματικά μοντέλα που βασίζονται σε προηγούμενα καιρικά μοτίβα και τη γεωγραφία της συγκεκριμένης περιοχής. Τα μαθηματικά μοντέλα έχουν τη μορφή εξισώσεων που περιγράφουν βασικές διαδικασίες που ρυθμίζουν τον καιρό, όπως η περιστροφή της Γης, η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέμου, η βροχόπτωση, η εξάτμιση κ.λπ. Όταν αυτά τα σημεία δεδομένων τροφοδοτούνται από διάφορα όργανα μέτρησης και αισθητήρες στους υπερυπολογιστές, εκτελούνται ένα σύνολο πολύπλοκων εξισώσεων, ανάλογα με το πώς μοντελοποιείται από τον μετεωρολόγο, και δημιουργεί μια πρόβλεψη.

Τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη καιρού δεν είναι λύσεις που ταιριάζουν σε όλους. Μερικοί είναι καλοί στην πρόβλεψη τυφώνων, ενώ άλλοι είναι καλοί με τη γενική πρόβλεψη θερμοκρασίας και υγρασίας. Αυτός είναι ο λόγος που οι υπολογιστές δεν έχουν πραγματικά την τελευταία λέξη. Τα αποτελέσματα από αυτά μετατρέπονται σε φιλικά προς τον χρήστη γραφήματα και γραφήματα, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να ερμηνευτούν από τους μετεωρολόγους της μετεωρολογικής υπηρεσίας για να κάνουν μια πιο ολοκληρωμένη και ενημερωμένη πρόγνωση.

Σταθμός εργασίας μετεωρολόγων που εργάζονται στην Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία (NWS) (Photo Credit :Flickr)

Παρακάτω είναι μια εικόνα του πώς μοιάζει ένα κανονικό διάγραμμα πρόγνωσης και πώς το ερμηνεύουν οι μετεωρολόγοι. Η κίτρινη διακεκομμένη γραμμή θα αντιπροσωπεύει περιοχές μέτριων ή υψηλών αναταράξεων, ενώ οι χτενισμένες γραμμές αντιπροσωπεύουν τα σωρευτικά σύννεφα, τα οποία είναι βασικά σύννεφα καταιγίδας. Αυτές οι περιοχές έχουν μεγαλύτερες πιθανότητες για καταιγίδες και βροχοπτώσεις. Οι πράσινες γραμμές υποδεικνύουν ρεύματα πίδακα, τα οποία βρίσκονται κοντά στον πυρήνα των μέγιστων ανέμων.

Διάγραμμα πρόβλεψης καιρού αεροπορίας (Εικόνα – National Weather Service Aviation Weather Center/Wikimedia)

Τι είναι αυτά τα δεδομένα παρατήρησης;

Οι μετεωρολόγοι επικεντρώνονται στενά σε σημεία παρατήρησης δεδομένων όταν καταλήγουν σε μια πρόγνωση καιρού. Τα δεδομένα παρατήρησης είναι μια λίστα με πράγματα που επηρεάζουν τον καιρό με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Ωστόσο, να έχετε κατά νου ότι όλα έχουν τη δική τους σημασία. Ας δούμε μερικές λεπτομέρειες αυτών των βασικών σημείων δεδομένων παρατήρησης.

Θερμοκρασία και υγρασία

Ένα από τα πράγματα που παρατηρούμε σε καθημερινή βάση είναι η θερμοκρασία. Η αύξηση της θερμοκρασίας είναι πολύ πιθανό να προκαλέσει άμεση αύξηση της εξάτμισης. Αυτό θα οδηγήσει σε υψηλότερη ποσότητα υγρασίας, η οποία αυξάνει τις πιθανότητες βροχής, χαλαζιού ή χιονιού.

Πίεση και άνεμοι

Τα επόμενα δύο πράγματα είναι η πίεση και ο άνεμος. Ανάλογα με το επίπεδο πίεσης, οι περιοχές διακρίνονται σε δύο τύπους:περιοχές υψηλής πίεσης και περιοχές χαμηλής πίεσης. Οι περιοχές υψηλής πίεσης έχουν αέρα με υψηλή πυκνότητα και αντίστροφα. Όπως γνωρίζουμε, τα πράγματα κινούνται πάντα από περιοχές υψηλής πυκνότητας σε περιοχές χαμηλής πυκνότητας. Ομοίως, οι άνεμοι αρχίζουν να ρέουν από περιοχές υψηλής πίεσης σε περιοχές χαμηλής πίεσης. Η ταχύτητα αυτής της κίνησης καθορίζεται από τη διαφορά πίεσης. Εάν η διαφορά είναι μεγάλη, η ταχύτητα θα είναι μεγαλύτερη. Η διακύμανση της θερμοκρασίας μεταξύ αυτών των δύο περιοχών έχει επίσης αξιοσημείωτα αποτελέσματα, οδηγώντας σε τακτικές βροχοπτώσεις/χιονοπτώσεις ή σε ορισμένες περιπτώσεις, καταιγίδες/ανεμοστρόβιλους.

Σημείο δρόσου

Αν παρατηρήσετε ένα ποτήρι κρύο νερό στον ήλιο ή το πρωινό γρασίδι στο γρασίδι σας, μπορείτε να δείτε καθαρά να υπάρχουν σταγονίδια νερού. Αυτές οι σταγόνες νερού ονομάζονται «δρόσο» ή συμπύκνωση. Όταν η θερμοκρασία είναι αρκετά χαμηλή, ο αέρας γίνεται κορεσμένος με υδρατμούς. Σε εκείνο το σημείο, αρχίζουμε να βλέπουμε νερό να εμφανίζεται στην επιφάνεια των γυαλιών ή των παραθύρων. Η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει αυτό το γεγονός ονομάζεται «σημείο δρόσου». Έτσι, οποιαδήποτε δεδομένη ημέρα, εάν η θερμοκρασία και το σημείο δρόσου είναι κοντά, οδηγεί σε υψηλότερη ποσότητα υδρατμών. Μια υψηλότερη ποσότητα υδρατμών οδηγεί σε υψηλότερη υγρασία, η οποία επηρεάζει περαιτέρω τον καιρό, όπως αναφέρθηκε παραπάνω.

Νωρίς το πρωί δροσιά (Προσθήκη εικόνας – Michael Gwyther-Jones/Wikimedia)

Ποιος διενεργεί αυτήν την πρόγνωση καιρού;

Πολλές χώρες βασίζονται σε έναν μόνο πάροχο καιρικών υπηρεσιών, ο οποίος συχνά ελέγχεται από ομοσπονδιακό επίπεδο, για πρόβλεψη καιρού, προειδοποιήσεις και ειδοποιήσεις. Ωστόσο, στις ΗΠΑ, υπάρχουν δημόσια, ιδιωτικά και πανεπιστημιακά συστήματα πρόγνωσης καιρού.

Οι ΗΠΑ, όντας μια μεγάλη και πολυπληθής χώρα που αντιμετωπίζει μεγάλες διακυμάνσεις των καιρικών συνθηκών σε ολόκληρη την αχανή στεριά, χρειάζονται πιθανώς πολλούς οργανισμούς που ειδικεύονται σε διαφορετικές θέσεις για μια πιο ακριβή πρόβλεψη. Οι ΗΠΑ θεωρούνται ως μία από τις παγκόσμιες δυνάμεις της πρόγνωσης καιρού.

Οι περισσότερες προβλέψεις προέρχονται από τα Εθνικά Κέντρα Περιβαλλοντικής Πρόβλεψης (NCEP), τα οποία αποτελούν μέρος της ομοσπονδιακής υπηρεσίας πρόβλεψης καιρού—National Weather Service (NWS). Το NCEP εκτελεί διάφορα μοντέλα καιρού και μεταβιβάζει τα αποτελέσματα αυτής της μοντελοποίησης στο γραφείο NWS, το οποίο στη συνέχεια προσαρμόζει και βελτιστοποιεί την πρόβλεψη με βάση την περιοχή.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, υπάρχουν επίσης ιδιωτικά πρακτορεία πρόγνωσης καιρού που ασχολούνται με την πρόγνωση καιρού. Για παράδειγμα, ο εμπορικός πάροχος μετεωρολογικών υπηρεσιών Weather Underground βελτιστοποιεί την επίσημη πρόγνωση που δημιουργείται από το NWS για μια κλίμακα γειτονιάς επικαλύπτοντας πληροφορίες που λαμβάνει από το δικό του δίκτυο μετεωρολογικών σταθμών. Οι εμπορικοί παίκτες όπως το Weather Underground βοηθούν στη λήψη ακριβέστερων προγνώσεων καιρού στην περιοχή σας. Έτσι, διαφορετικοί εμπορικοί πάροχοι μετεωρολογικών υπηρεσιών έχουν τη δική τους θέση. Ορισμένες παρέχουν ακριβείς τοπικές προβλέψεις καιρού και άλλες ειδικεύονται στην παροχή προβλέψεων για κλιματικές καταστροφές όπως καταιγίδες ή πλημμύρες.

Πόσο ακριβείς είναι οι προγνώσεις καιρού;

Ίσως έχετε ακούσει ένα αστείο ότι η πρόγνωση καιρού είναι η μόνη ασχολία όπου μπορεί να κάνετε λάθος τις μισές φορές και παρόλα αυτά να μην χάσετε τη δουλειά σας! Είναι πραγματικά τόσο ασυνεπής η πρόγνωση του καιρού; Παρά τα αστεία, αυτό δεν συμβαίνει στην πραγματικότητα.

Με τα χρόνια, οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην πρόγνωση του καιρού έχουν βελτιωθεί αλματωδώς. Τα σημερινά συστήματα πρόγνωσης καιρού είναι πολύ πιο ακριβή από εκείνα της δεκαετίας του '80 ή του '90.

Σύμφωνα με την Εθνική Υπηρεσία Ωκεανών και Ατμόσφαιρας (NOAA), οι προβλέψεις πέντε ημερών από τις μετεωρολογικές υπηρεσίες έχουν πλέον ακρίβεια 90%. Οι προβλέψεις επτά ημερών είναι περίπου 80% ακριβείς. Αυτά τα στατιστικά στοιχεία γίνονται πολύ πιο εντυπωσιακά σε σύγκριση με τα ιστορικά δεδομένα. Για παράδειγμα, η σημερινή πενθήμερη πρόβλεψη τυφώνα είναι πιο ακριβής από τις προβλέψεις τεσσάρων ημερών στις αρχές της δεκαετίας του 2000 και πολύ πιο ακριβής από την πρόβλεψη τριών ημερών στις αρχές της δεκαετίας του 1990.

Αν και η ακρίβεια των προβλέψεων έχει βελτιωθεί σημαντικά με την πάροδο των ετών, οι μετεωρολόγοι στοχοποιούνται πάντα όταν η πρόβλεψη του καιρού πάει στραβά μια στο τόσο. Επίσης, με την έλευση των μέσων κοινωνικής δικτύωσης, τα δεδομένα καιρού παρουσιάζονται μερικές φορές εκτός πλαισίου, γεγονός που δίνει την εντύπωση ότι το τμήμα πρόγνωσης καιρού κάνει κακή δουλειά. Κάποιος σωστά είπε ότι «οι μετεωρολόγοι είναι σαν τους τερματοφύλακες. όσες αποκρούσεις κι αν κάνουν, θα τις θυμούνται μόνο για αυτές που τους λείπουν!»

Οι μετεωρολόγοι παραδέχονται ότι η πρόγνωση του καιρού εξακολουθεί να μην είναι μια ακριβής επιστήμη. Η ανάλυση πολλών παραγόντων μπορεί να είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί τέλεια για υπολογιστές. Ίσως αυτή είναι η ομορφιά του καιρού, που ακόμα και τώρα, με όλους τους υπερυπολογιστές μας, εξακολουθεί να κάνει τους ανθρώπους να μαντεύουν για τα ξεσπάσματα του!

Λόγω της προόδου στην έρευνα και της χρήσης τεχνητής νοημοσύνης, η πρόγνωση του καιρού βελτιώνεται σημαντικά. Σύμφωνα με τον Richard Anthes, τον Πρόεδρο του University Corporation for Atmospheric Research, σε λίγα χρόνια από τώρα, η πρόγνωση του καιρού θα είναι ουσιαστικά τέλεια για ένα χρονικό πλαίσιο μηδέν έως δύο ημερών. Λοιπόν, αν μπορούμε να το πετύχουμε αυτό, μπορούμε να είμαστε απόλυτα σίγουροι για τη συμπεριφορά του καιρού για τουλάχιστον μία ή δύο ημέρες και θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε καλύτερα τα ταξίδια και τις εξόδους μας χωρίς να ανησυχούμε ότι μια πρόβλεψη θα πάει τρομερά λανθασμένη!