Jeszcze sto lat temu matematyczne prognozowanie warunków atmosferycznych wydawało się mrzonką. Jeszcze sto lat temu matematyczne prognozowanie warunków atmosferycznych wydawało się mrzonką. Getty Images
Środowisko

Szklana kula wciąż zamglona, czyli od kiedy i na ile umiemy przewidzieć pogodę

Jeszcze sto lat temu matematyczne prognozowanie warunków atmosferycznych wydawało się mrzonką. Aż pojawił się Lewis Fry Richardson. Jego heroiczna porażka wyznaczyła drogę innym. I dała początek współczesnej meteorologii.

„Być może pewnego dnia w bliżej nieokreślonej przyszłości przygotowanie numerycznej prognozy pogody nadąży za jej zmianą. Ale dziś to tylko marzenie” – pisał angielski matematyk Lewis Fry Richardson w swojej niezwykłej książce wydanej w 1922 r. Licząca ponad dwieście stron publikacja zapełniona liczbami i równaniami nie odniosła sukcesu komercyjnego. Trzydzieści lat później wciąż można ją było zamówić za półtora funta w Cambridge University Press, a jej wznowienie z 1964 r. w miękkich okładkach i wydrukowane w trzech tysiącach egzemplarzy zalegało na półkach specjalistycznych księgarni naukowych przez dwie kolejne dekady. Cena się nie zmieniła.

Cóż, przełomowe dokonania rzadko następują w świetle jupiterów. A już na pewno nie ma co liczyć na większe zainteresowanie, gdy dziełu życia daje się tytuł „Weather Prediction by Numerical Process”. Dość nudnawy, przyznajmy, w porównaniu np. z „Tajemniczym przeciwnikiem” (ang. „The Secret Adversary”), detektywistyczną powieścią Agathy Christie królującą w tymże samym 1922 r. w witrynach londyńskich księgarń. A przecież Richardson też miał swojego „tajemniczego przeciwnika”, z którym zmagał się w pojedynkę przez kilka lat. Była nim pogoda, a dokładniej próba przewidzenia jej zmian za pomocą obliczeń przeprowadzonych w oparciu o wzory matematyczne wyrażające rozmaite prawa fizyki. Było to heroiczne, by nie powiedzieć szalone przedsięwzięcie, które – co tu dużo mówić – zakończyło się porażką. Ale to właśnie Richardson swoimi matematycznymi zmaganiami ze skomplikowaną materią przyrody zapoczątkował erę numerycznych prognoz pogody, bez których trudno sobie wyobrazić współczesną meteorologię.

Meteorologia jako nauka rodziła się długo. Barometr skonstruowano we Włoszech w XVII w. – za jego twórcę uważany jest matematyk i fizyk Evangelista Torricelli, uczeń Galileusza. Termometr wymyślono w latach 20. XVIII w. Uczynił to Daniel Gabriel Fahrenheit, mieszkaniec Hagi, ale rodem z Gdańska.

Meteorologia jako nauka rodziła się długo. Barometr skonstruowano we Włoszech w XVII wieku.ShutterstockMeteorologia jako nauka rodziła się długo. Barometr skonstruowano we Włoszech w XVII wieku.

W połowie XIX w. meteorolodzy mieli do dyspozycji także higrometr, wiatromierz, deszczomierz oraz cyjanometr, jak zwano przyrząd do określania intensywności barwy nieba. Zbierali sporą, jak na owe czasy, ilość danych. Wciąż jednak była to meteorologia ułomna, ponieważ zajmowała się jedynie obserwacjami zjawisk pogodowych, ale jak ognia unikała ich prognozowania. Dzięki coraz gęstszej sieci stacji meteorologicznych oraz coraz gęstszej sieci telegraficznej, napływające z jakiegoś regionu dane zaczęto nanosić na mapy, które aktualizowano każdego dnia.

W końcu znaleźli się pierwsi odważni synoptycy. Zaczęli przygotowywać nie tylko mapy, ale i prognozy. Opierali się na własnym doświadczeniu, wymianie informacji między sobą, dość skromnej jeszcze wiedzy z zakresu klimatologii oraz założeniu, że to, co dzieje się z pogodą w danym momencie, będzie się działo jeszcze przez pewien czas. Przede wszystkim jednak liczyła się dobra intuicja. Synoptyka była bardziej sztuką niż nauką.

Bjerknes dobiera narzędzia

Pierwszym, który zaproponował, aby prognozowanie pogody oprzeć na metodach naukowych, był norweski fizyk i meteorolog Vilhelm Bjerknes. W 1904 r. opublikował artykuł, w którym dał wyraz przekonaniu, że „późniejszy stan atmosfery rozwija się z wcześniejszego w oparciu o prawa fizyki”. A zatem należy zgromadzić możliwie dokładną wiedzę na temat wyjściowego stanu atmosfery i zebrać równie precyzyjną wiedzę na temat praw fizyki rządzących przejściem od tego stanu do kolejnego. Wówczas, jak wierzył, pogoda przestanie być dla człowieka zagadką. To dość optymistyczne albo też deterministyczne przekonanie brało się z wiary w potęgę fizyki i jej praw – kto je pozna i właściwie zastosuje, a wcześniej zgromadzi dostateczną wiedzę na temat teraźniejszości, przed tym odsłoni się przyszłość.

Po pierwszej wojnie światowej Bjerknes osiadł w norweskim Bergen, gdzie stworzył słynną szkołę meteorologiczną, w której rozwijano matematyczne metody opisywania zjawisk pogody. Tam narodziła się nowoczesna meteorologia synoptyczna. Tamtejsi badacze jako pierwsi zaczęli nanosić na mapy niże atmosferyczne z frontami zimnymi i ciepłymi. Koncepcja takiego frontu jako ostrej granicy oddzielającej dwie masy powietrza o różnej temperaturze i wilgotności skojarzyła się meteorologom z operacjami wojskowymi podczas wojny. Z tego środowiska wywodził się Szwed Carl Gustaf Rossby, któremu zawdzięczamy odkrycie i opis polarnego jet streamu – wielkiego strumienia powietrza poruszającego się na wysokości 10–15 km z zachodu na wschód wokół wirującej planety i mającego znaczny wpływ na pogodę w naszych szerokościach geograficznych.

Pomysł Bjerknesa na prognozowanie pogody polegał na dobraniu odpowiednich narzędzi, czyli wzorów matematycznych, które miały posłużyć do analizy siedmiu zmiennych: temperatury powietrza, jego ciśnienia, gęstości, wilgotności oraz trzech parametrów dotyczących wiatru.ShutterstockPomysł Bjerknesa na prognozowanie pogody polegał na dobraniu odpowiednich narzędzi, czyli wzorów matematycznych, które miały posłużyć do analizy siedmiu zmiennych: temperatury powietrza, jego ciśnienia, gęstości, wilgotności oraz trzech parametrów dotyczących wiatru.

Pomysł Bjerknesa na prognozowanie pogody polegał na dobraniu odpowiednich narzędzi, czyli wzorów matematycznych, które miały posłużyć do analizy siedmiu zmiennych: temperatury powietrza, jego ciśnienia, gęstości, wilgotności oraz trzech parametrów dotyczących wiatru. Punktem wyjścia miał być komplet map przedstawiających przestrzenny rozkład poszczególnych zmiennych na różnych wysokościach. Następnie, korzystając z równań, należało wyliczyć i nanieść nowe wartości zmiennych opisujące stan atmosfery powiedzmy za trzy godziny. One byłyby podstawą do wykonania obliczeń dotyczących następnych trzech godzin. W teorii operacja ta mogła być powtarzana wiele razy, aż powstałaby prognoza na całą dobę. Ale Bjerknes nie wykonał tego kroku. Uznał, że jest za wcześnie. W artykule z 1904 r. napisał: „Być może pewnego dnia, ale jeszcze nie teraz, doczekamy się codziennych prognoz tworzonych za pomocą równań”.

Richardson siada do obliczeń

Podobnie myślał Richardson. W ostatnim rozdziale książki przedstawił wizję „globalnej fabryki pogody”, do której dane napływałyby z 2 tys. stacji meteorologicznych rozmieszczonych równomiernie na planecie. Obróbką danych z jednej zajmowałyby się 32 osoby, co oznacza, że łącznie potrzebnych byłoby 64 tys. pogodowych rachmistrzów nazwanych przez niego „komputerami”. Każdy byłby odpowiedzialny za rozwiązywanie jednego równania. Wyniki kalkulacji trafiałyby na mapy wyświetlane na ścianach gigantycznych hal, w których odbywałaby się cała „produkcja”. Pośrodku każdej hali wznosiłaby się wieża, w której siedzieliby koordynatorzy opracowujący prognozę i przekazujący ją do cichego pomieszczenia, skąd trafiałaby ona do odbiorców zewnętrznych.

Richardson wiedział oczywiście, że zbudowanie takiej fabryki jest niemożliwe. Chciał tylko zwrócić uwagę, jak żmudnym i skomplikowanym zadaniem jest przygotowanie na czas numerycznej prognozy pogody, nawet wtedy gdy wszystkie narzędzia matematyczne sprawują się bez zarzutu. Nad tymi ostatnimi pracował wiele lat, głównie w swojej samotni, jaką stała się dla niego Eskdalemuir Observatory, terenowa stacja badawcza należąca do Met Office (odpowiednik IMGW) i ulokowana na odludziu w południowej Szkocji. Efektem tej pracy był zestaw równań różniczkowych, do których Richardson dobrał najlepszą, jego zdaniem, numeryczną metodę ich rozwiązywania. Była to jego własna wersja metody różnic skończonych, którą wcześniej wykorzystał do obliczania krążenia wód na torfowiskach. Tam sprawdziła się doskonale, więc uznał, że okaże się przydatna również do prognozowania pogody.

W końcu przyszła pora na zrobienie kroku – tego, który Bjerknes uznał za niemożliwy, czyli wyliczenia prognozy pogody z wzorów. Richardson był ciekaw, czy dobrał właściwy zestaw matematycznych kluczy. Siadł do obliczeń.

Prognoza miała dotyczyć 20 maja 1910 r. i obejmować region Europy Środkowej. Pomiary z godziny siódmej rano Richardson potraktował jako dane wyjściowe dla swojej prognozy na godzinę pierwszą po południu. Otrzymany wynik miał zostać porównany z rzeczywistą pogodą o tej godzinie. Obliczenia zajęły mu łącznie sześć tygodni i zakończyły się niepowodzeniem. W jego prognozie ciśnienie powietrza wzrosło gwałtownie, osiągając nierealistyczną wartość, podczas gdy w rzeczywistości prawie tego dnia nie drgnęło. Wyglądało to na kompletne fiasko, choć późniejsze analizy wykazały, że gdyby Richardson odpowiednio wygładził liczby, błąd byłby znacznie mniejszy.

Von Neumann buduje fabrykę

Te późniejsze analizy wykonali m.in. naukowcy z zespołu stworzonego już po drugiej wojnie światowej za Atlantykiem przez słynnego matematyka Johna von Neumanna pracującego w równie słynnym i prestiżowym Institute of Advanced Study w Princeton (do tej pory 34 noblistów). Von Neumann poza tym, że był geniuszem i sprawnym organizatorem, miał też dar przekonywania. Namówił amerykańską marynarkę wojenną do sfinansowania prac nad przygotowaniem numerycznej prognozy, która miała zostać opracowana z pomocą pierwszego komputera cyfrowego z prawdziwego zdarzenia. Był nim słynny ENIAC uruchomiony w 1946 r. na University of Pennsylvania. W zespole znaleźli się np. Jule Charney, Bert Bolin i Arnt Eliassen. Cała trójka odegrała później kluczową rolę w wykorzystaniu komputerów i metod numerycznych do ulepszania prognoz pogody, a także w badaniach nad klimatem ziemskim (Charney w 1979 r. szefował grupie roboczej, która jako pierwsza ostrzegła przed zainicjowanym przez człowieka globalnym ociepleniem, a Bolin był w 1988 r. głównym założycielem Międzyrządowego Zespołu ds. zmian Klimatu).

Von Neumann namówił amerykańską marynarkę wojenną do sfinansowania prac nad przygotowaniem numerycznej prognozy, która miała zostać opracowana z pomocą pierwszego komputera cyfrowego z prawdziwego zdarzenia. Był nim ENIAC (na zdjęciu).ShutterstockVon Neumann namówił amerykańską marynarkę wojenną do sfinansowania prac nad przygotowaniem numerycznej prognozy, która miała zostać opracowana z pomocą pierwszego komputera cyfrowego z prawdziwego zdarzenia. Był nim ENIAC (na zdjęciu).

Niepowodzenie Richardsona było skrupulatnie analizowane przez grupę von Neumanna. Obawiano się powtórzenia jego błędów, ale częściowo skorzystano z jego metod matematycznych, a także z pomysłu podzielenia regionu, dla którego miała powstać prognoza, na mniejsze sektory, co miało ułatwić maszynie prowadzenie obliczeń. Równania i metody obliczeniowe trzeba było dobrać tak, by z jednej strony nie przeciążyć „elektronowego mózgu”, a z drugiej sprawić, aby wykonane przez niego symulacje dynamiki atmosfery okazały się bliskie rzeczywistości. Program spisano na dwóch kartkach papieru i w 1950 r. uraczono nimi komputer. ENIAC męczył się okrągłą dobę, nim pokazał prognozę na kolejny dzień. Trafił, choć nie idealnie. Tak zaczęła się era komputerowych symulacji zachowania atmosfery w kolejnych godzinach i dniach, a nawet tygodniach i miesiącach, choć to już znacznie późniejsze czasy.

Tak oto „fabryka prognoz” Richardsona zaistniała w rzeczywistości. Doczekał zresztą tego momentu. Na wieść o pierwszej prognozie ENIACA wysłał do twórców programu telegram gratulacyjny. Zmarł w 1953 r. w swoim domu w Szkocji. Rok później szwedzkie lotnictwo wojskowe jako pierwsze na świecie zaczęło regularnie korzystać z numerycznych prognoz pogody. A w 1955 r. po tę samą nowinkę sięgnęła amerykańska armia namówiona do tego przez von Neumanna i Charneya.

Motyl zamiata skrzydłami

Ciąg dalszy nie był jednak różowy. Przez kolejną dekadę numeryczne prognozy pogody przegrywały z tradycyjnymi. Człowiek wciąż okazywał się dokładniejszy od modeli i maszyn liczących. A dobry znajomy Charneya, matematyk z MIT Edward Lorenz, doszedł do wniosku, że pogodę da się precyzyjnie przewidzieć najwyżej na parę dni, bo jest zbyt czuła na najmniejsze zmiany warunków początkowych. Pojawił się osławiony efekt motyla, który mocno ostudził optymizm entuzjastów prognoz numerycznych. Pogoda została zaliczona do nowej klasy zjawisk chaotycznych i zarazem złożonych, czyli bardzo skomplikowanych.

Na szczęście nie wszyscy byli pesymistami. Charney i inni badacze niestrudzenie szukali właściwych formuł i narzędzi: analizowali przepływy mas powietrza, próbowali opisywać zawiłości fal atmosferycznych oraz dynamikę gwałtownych zjawisk. Kluczowym sprzymierzeńcem okazały się satelity meteorologiczne. Dzięki nim pod koniec lat 60. XX w. meteorolodzy odważyli się na przygotowanie prognoz trzy- i pięciodniowych.

Korzystali przy tym z zaproponowanych przez Bjerknesa pierwotnych równań atmosfery opisujących przepływy strumieni powietrza. To one stały się fundamentem wielu współczesnych modeli pogodowych. W tym tak potężnych jak amerykański GFS (Global Forecast System) symulujący zmiany w atmosferze dla 127 poziomów do wysokości 80 km i mający rozdzielczość horyzontalną 13 km. Dla każdego 13-km oczka siatki pokrywającej cały glob raz na godzinę generowana jest przez GFS prognoza pięciodniowa, raz na trzy godziny – dziesięciodniowa i dwa razy na dobę – szesnastodniowa. W porównaniu z pierwszymi próbami grupy von Neumanna, postęp jest więc gigantyczny.

Co nie znaczy, że pogoda nas już nie zaskoczy. Owszem, dzięki dziesiątkom tysięcy naziemnych stacji meteorologicznych, satelitom, radarom i superkomputerom prognozy pięciodniowe mają dziś taką wiarygodność, jaką trzy dekady temu dwudniowe. Ale jeśli chodzi o nieco dłuższą perspektywę, nawet parotygodniową, to od czasów Lorentza i jego efektu motyla wiadomo, że niewiele da się zrobić: szklana kula pozostanie zamglona. Bjerknes i Richardson byliby pewnie trochę rozczarowani.

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną