W #AkademiaCMM opublikowaliśmy nowe opracowanie pt. “Czekając na burzę czyli dlaczego „pewny koń“ czasem nie startuje?”: https://cmm.imgw.pl/?page_id=26845
Artykuł ukazał się pierwotnie na stronie Polskiego Towarzystwa Tatrzańskiego Oddział w Krakowie http://www.krakow.ptt.org.pl/czekajac-na-burze-czyli-dlaczego-pewny-kon-nie-startuje/
Opracowanie: dr Marcin Kolonko CMM IMGW-PIB
Panel pogodowy na smartfonie ze wskazaniem prawdopodobieństwa wystąpienia opadów lub burzy.
Inspiracją do napisania tego eseju było pewne upalne popołudnie, w którym jeden z naszych modeli – AROME (wysokiej rozdzielczości, o siatce 2 km) zaprognozował silną burzę w okolicy Krakowa która pomimo wypatrywania jej przez sieć obserwatorów nie wystąpiła.
Czyli zagadnienie redukuję do problemu „dlaczego nie zaszło, choć mogło?“. Co powoduje, że prognoza pogody jest w najlepszym razie życzeniem meteorologów a nie systemem miar i wag dzięki któremu możemy wszystko przewidzieć i odmierzyć przyszłość?
Sprawa zawadza o błędy prognoz. Żeby umiejscowić deszcz czy burzę potrzebujemy znać równania które tym zjawiskom sprzyjają lub – szerzej – nimi rządzą. To są zjawiska które nazywam chaotycznymi – mogą wystąpić ale nie muszą.
Czyli my w swoich komputerach możemy wyliczyć wskaźniki które sprzyjają – bądź nie – procesom typu deszcz, burza, tornado, cyklon, grad. Ale za powstanie zjawiska odpowiada Ten który pociąga za cyngiel. Słowem, „żołnierz strzela a Pan Bóg kule nosi“.
Ścieżki cyklonów wyświetlone a posteriori – korelują z temperaturą wody w oceanie. Jednak nie sposób tego przewidzieć przed wystąpieniem konkretnego cyklonu.
Niejednokrotnie zdarza się tak że prawdopodobieństwo zajścia danego zjawiska określa się na 100% – a ono nie zachodzi. Podobnie, jak boimy się (a przynajmniej nas przodkowie się bali) śmierci Balladyny czyli „gromu z jasnego nieba“.
Komputery pomogły nam się nieco oswoić z tymi zjawiskami. Coś liczymy, coś przewidujemy, synoptycy jako doświadczone osoby i autorytety dadzą nam tę prognozę. Liczymy wskaźniki, celność prognozy wspaniała, później weryfikacja… Bardzo to przydatne, ale o zajściu pojedynczego zjawiska a priori i tak nie rozstrzyga.
“Demon piaskowy” (dust devil) pod Domem Handlowym „Jubilat” w Krakowie – trwający kilkadziesiąt sekund wir powietrza.
Fizycy określają to jako „prognozę probabilistyczną“ w opozycji do „deterministycznej“. Czyli jak puścimy kulkę po równi pochyłej to spada tak a tak. A jak puścimy atmosferę żeby ewoluowała? Jeden mol (liczba cząsteczek w litrze gazu doskonałego) to wielkość rzędu dziesiątki z 23 zerami. A to litr gazu zaledwie, trochę mniej mi wchodzi do butli turystycznej.
Więc zaprzęgamy fizykę statystyczną i termodynamikę. Jeśli gaz ma taką temperaturę i takie ciśnienie to punkt rosy jest ileś-tam metrów nad ziemią. Jesteśmy trochę bardziej szczęśliwi, udało się nam to przetłumaczyć na parametry makroskopowe, już nie musimy zajmować się tymi wrednymi cząsteczkami.
Ale jeśli chcemy opisać tak całą atmosferę to znowu komputery (jak to mówią teraz młodzi) „wymiękają“. Różne rodzaje podłoża, wyże i niże, siła Coriolisa, wiatry, zbiorniki wodne, wpływ miast… Musimy zastosować przybliżenia. Np. braku ruchów pionowych cząstek powietrza – czyli przybliżenie hydrostatyczne. To oczywiście rodzi kolejne błędy. No i nie możemy użyć przybliżenia hydrostatycznego (jak w jednej z wersji modelu mezoskalowego ALARO) do prognozowania burz.
Dalej? Hm, pora na błędy związane z krokiem obliczeń, czyli błędy dyskretyzacji. Zarówno tej czasowej, że liczymy kilkudziesięciosekundowe kroki czasowe, jak i przestrzennej – że zakładamy iż pomiędzy punktami siatki (nazywamy je węzłami) nic szczególnego nie zachodzi. Ale siatka 2 km w Tatrach potrafi nie uwzględnić połowy doliny albo wyliczyć wysokość Kasprowego Wierchu na 1300 m npm!
“Fabryka pogody” zapostulowana przez Lewis’a Fry-Richardson’a – kilkadziesiąt tysięcy osób liczących jednocześnie pogodę (równolegle) na suwakach logarytmicznych. Potem wyręczyły ich komputery.
Procesy które tutaj pomijamy nazywamy podsiatkowymi. Czyli takimi, których rozmiar liniowy bądź czas trwania (np. dust devils potrafią zająć pół minuty więc gros modeli je pomija – a przecież są! Wiedzą o tym świetnie dzieci we wrześniu idące do szkoły i tańczące tak by znajdować się w wirze z liści w pogodny dzień). Chciałoby się je uwzględnić, ale nie zaprzątnąć sobie nimi całkowicie głowy. Czyli sparametryzować.
Parametryzacja to uwzględnienie równań rządzących procesami podsiatkowymi ale w uproszczonej wersji. Czyli kulka po sekundzie przemierzy 5 m lotu, po 2 sekundach 15 itp. Układa się to w jakiś ciąg liczbowy i nie wymaga rozbudowanej wiedzy z zakresu swobodnego spadku ciał w polu grawitacyjnym Ziemi. Starczy że mamy jakąś „regułę kciuka“ i z niesfornymi procesami-karzełkami jakoś sobie poradzimy. To oczywiście rodzi kolejne błędy.
Sprawdzalność prognoz (na osi Y) 3-, 5-, 7- i 10-dniowych sporządzanych w europejskim centrum prognozowania na średnich skalach przestrzenno-czasowych (ECMWF), od roku 1980 do 2010 (oś X).
I wreszcie coś czego nie przełamiemy za pomocą najszybszych komputerów, przynajmniej póki co nie mieści się nam to w głowie – chaos determienistyczny. Czyli niby wszystko dobrze opisane, ale tylko równaniem różniczkowym o wyniku bardzo podatnym na warunki początkowe (startowe) i brzegowe (z modelu globalnego). Tu rozbijamy się o „efekt motyla“ czyli możemy marzyć o 16-dniowej prognozie, dalsza część to wróżenie z fusów (przepraszam wielce szanownych klimatologów).
Prognoza w mocnym chaosie, tzw. strefie wrażliwej, jest narażona na większy błąd i szybsze „rozjechanie się“ niż w spokoju. Prognoza w górach jest wyzwaniem większym w stosunku do tej równinnej choć akurat dla tornad tak być nie musi (te zwykły formować się częściej na płaskim terenie). Reasumując, prognozujemy tak jak nam błędy pozwalają, a może też komputery liczą. Zobaczymy czy komputery kwantowe pozwolą zachować prawo Moore’a ale na pewno znajdzie się dla nich zastosowanie w meteorologii numerycznej.
U dołu: prognoza wiązkowa położenia huraganu Katrina w ciągu najbliższych 5 dni (120 godzin) i błąd położenia huraganu wyznaczony dla 2-3 dnia w oparciu o tą prognozę. U góry – faktyczny tor huraganu.
Pomimo dramatycznego wykresu wieszczącego spadek temperatury o kilkanaście stopni i burzę z pięknie wykształconego cumulonimbusa – lipa. Dalej upał, trzeba poczekać do jutrzejszej nocy kiedy przyjdzie coś większego (front, nie pojedyncza chmurka) i ów spadek temperatury wymusi. Póki co – „wypalił, nie nabił“, ślepy nabój. Ale lepsze to niż wspomniana tu rosyjska ruletka dla Balladyny u Mistrza Słowackiego.
Swoją drogą, jakże to zawadza o zagadnienie poszukiwania świadomości w mózgu ludzkim (bądź zwierząt z wyżej rozwiniętych gatunków) czy Boga w kosmologii. Czy przed Wielkim Wybuchem coś było? Od kiedy istnieje czas? Czy nasz Wszechświat jest jedyny? Bo że mamy swój horyzont to wiemy – a jednak o kształcie jako całości też mamy nadzieję coś wnioskować. Myślę że zawsze będzie istnieć wolność w tego typu poszukiwaniach – jedni pójdą za Richardem Dawkinsem, inni za ks. Michałem Hellerem, a któryś odkrywca poszuka własnej drogi, “na ramionach gigantów”.
