อากาศเกิดขึ้นได้อย่างไรและคุณสามารถทำนายได้แม่นยำแค่ไหน?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

นักพยากรณ์ให้คำมั่นสัญญาว่าจะมีวันที่มีแดดจัด และข้างนอกหน้าต่าง - พายุหิมะ ความไม่ถูกต้องในการพยากรณ์เกี่ยวข้องกับทั้งสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลก อย่างไรก็ตาม นักอุตุนิยมวิทยาสมัยใหม่ได้สร้างความก้าวหน้าในการพยากรณ์ ปัจจุบันมีการใช้อัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์สำหรับสิ่งนี้ มีการสร้างวิธีการและเครื่องมือใหม่ๆ เพื่อศึกษาสภาพอากาศในปัจจุบัน

วิธีการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติในปัจจุบันและความเป็นไปได้ที่จะทำให้การคาดการณ์ที่แม่นยำสมบูรณ์แบบในอนาคตมีอยู่ในนิตยสาร Discover ยอดนิยมของอเมริกา T&P ดัดแปลงบทความและแปล

อากาศเป็นอย่างไร

ชั้นบรรยากาศของโลกประกอบด้วยไนโตรเจน ออกซิเจน และไอน้ำเป็นหลัก อากาศนี้มีพฤติกรรมเหมือนของเหลว และไหลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ทำให้อุณหภูมิ ความชื้น และลักษณะอื่นๆ เปลี่ยนแปลงไป สภาพอากาศเป็นผลพลอยได้จากชั้นบรรยากาศซึ่งนำความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง

อากาศที่เย็นกว่านั้นหนาแน่นและไม่สามารถกักเก็บความชื้นได้มาก อากาศอุ่นจะมีความหนาแน่นน้อยกว่าและสามารถกักเก็บน้ำได้มากขึ้น เมื่อพื้นที่ของอากาศที่มีอุณหภูมิและความหนาแน่นต่างกันชนกัน ฝนจะเกิดขึ้นเนื่องจากน้ำก่อตัวขึ้นจากอากาศอุ่นที่เย็นจัด อาจมีหยาดน้ำฟ้าอื่นๆ เมื่ออากาศอุ่นและชื้นลอยสูงขึ้น มันจะเย็นลงและน้ำจะควบแน่นบนอนุภาคที่ลอยอยู่ในอากาศ ละอองที่เพิ่มขึ้นจะหนักขึ้นและตกลงสู่พื้นโลกในเวลาต่อมา

พายุเฮอริเคนก่อตัวขึ้นเมื่อน้ำทะเลมีความร้อนสูงกว่า 27 ℃ และระเหยอย่างรวดเร็ว และอากาศเหนือมหาสมุทรจะอุ่นขึ้นและสูงขึ้น ลมเย็นพัดมาแทนที่ซึ่งความร้อนขึ้นและสูงขึ้น การเคลื่อนไหวเหล่านี้สร้างลมแรงทำให้เกิดพายุเฮอริเคน

วิธีการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติมาก่อน

การสังเกตสภาพอากาศทางวิทยาศาสตร์เริ่มขึ้นในยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาเมื่อมีการประดิษฐ์บารอมิเตอร์และเทอร์โมมิเตอร์ นักวิชาการชาวยุโรปโบราณเช่นกาลิเลโอใช้เครื่องมือเหล่านี้เพื่ออธิบายปรากฏการณ์สภาพอากาศ

แต่การคาดการณ์ในระยะแรกมีจำกัดและอยู่บนพื้นฐานของสมมติฐานที่ว่าอดีตจะเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมในอนาคตเท่านั้น

“ถ้าวันนี้มีพายุในแคนซัสและวันถัดไปในมิสซูรี คุณก็บอกได้เลยว่าพายุจะมาถึงอิลลินอยส์ในวันถัดไป” บ็อบ เฮนสัน นักอุตุนิยมวิทยาและผู้เขียน Weather Underground อธิบาย

วิธีนี้ทำงานภายใต้สภาวะคงที่ - เมื่อพายุค่อยๆ เคลื่อนตัวหรือเมื่อสภาพอากาศในท้องถิ่นไม่เปลี่ยนแปลงมากนักในแต่ละวัน (เช่น ในแคลิฟอร์เนียตอนใต้)

อย่างไรก็ตาม วิธีง่ายๆ นี้ไม่ได้คำนึงถึงสภาวะที่เปลี่ยนแปลง เช่น พายุก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากการพาความร้อน (การเคลื่อนที่ของปริมาตรอากาศจากระดับความสูงหนึ่งไปยังอีกระดับความสูงหนึ่ง เนื่องจากแรงอาร์คิมีดีน - เอ็ด) โชคดีที่มีวิธีใหม่ๆ ในการพยากรณ์อากาศในโลกปัจจุบัน การคาดการณ์ไม่ได้เกิดขึ้นจากคนที่กำลังดูแผนที่ และจุดสูงสุดและต่ำสุดของเมื่อวานสร้างขึ้นโดยเครื่องจักร

พยากรณ์อากาศล่าสุด

นักอุตุนิยมวิทยาใช้การพยากรณ์อากาศเป็นตัวเลขโดยป้อนข้อมูลเกี่ยวกับสภาพอากาศในปัจจุบัน แล้วนำมาแปรรูปเป็นโมเดลคอมพิวเตอร์ ยิ่งป้อนข้อมูลที่เกี่ยวข้องและแม่นยำมากขึ้นเท่าใด การคาดการณ์ก็จะยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น เพื่อให้ได้ข้อมูลนี้ เครื่องมือต่างๆ เช่น บอลลูนตรวจอากาศ เครื่องบิน ดาวเทียม และทุ่นมหาสมุทร

รูปแบบสภาพอากาศแบ่งภูมิภาค รัฐ หรือแม้แต่โลกทั้งใบออกเป็นเซลล์ ขนาดมีผลต่อความแม่นยำของการพยากรณ์สี่เหลี่ยมขนาดใหญ่จะมองเห็นได้ยากขึ้นว่าเกิดอะไรขึ้นในพื้นที่เล็กๆ แต่ให้ภาพรวมของแนวโน้มสภาพอากาศเมื่อเวลาผ่านไป การพยากรณ์ทั่วไปนี้มีความจำเป็น ตัวอย่างเช่น เพื่อกำหนดการเคลื่อนที่ของพายุ

เซลล์ขนาดเล็กที่มีความละเอียดสูงกว่าช่วยให้สามารถคาดการณ์ในช่วงเวลาที่สั้นกว่าได้ - หนึ่งถึงสองวัน - และครอบคลุมเฉพาะพื้นที่เฉพาะ บางรุ่นอาจเน้นที่ข้อมูลเฉพาะ เช่น ความเร็วลม อุณหภูมิ และความชื้น ดังนั้น คอมพิวเตอร์สองรุ่นสามารถให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันเล็กน้อย แม้ว่าจะมีการสังเกตครั้งแรกเหมือนกันทุกประการก็ตาม

การทำนายที่สมบูรณ์แบบเป็นไปได้หรือไม่?

“แบบจำลองคอมพิวเตอร์เพียงพอสำหรับการพยากรณ์อากาศในแต่ละวัน ดังนั้นนักอุตุนิยมวิทยาจะไม่เพิ่มเติมที่นี่” ชูมัคเกอร์ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์บรรยากาศที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโคโลราโดกล่าว - แต่นี่ไม่ได้หมายความว่าคนไม่จำเป็นเลย ผู้พยากรณ์สามารถรับรู้ความไม่ถูกต้องในข้อมูลที่ทำซ้ำโดยระบบคอมพิวเตอร์"

Matt Kölsch นักอุตุนิยมวิทยาจาก Atmospheric Research Corporation ของมหาวิทยาลัยในโบลเดอร์กล่าว

“อุณหภูมิเป็นสนามต่อเนื่อง มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง ปริมาณน้ำฝนเป็นช่วงๆ ในบางพื้นที่อาจมีฝนตกหรือหิมะตก แต่ในบางแห่งอาจไม่เป็นเช่นนั้นเลย"

ลักษณะภูมิทัศน์ของพื้นที่ เช่น เนินเขา แนวชายฝั่ง ส่งผลกระทบต่อปริมาณน้ำฝน และแบบจำลองคอมพิวเตอร์ไม่ได้คำนึงถึงเรื่องนี้เสมอไป Kölsch กล่าวว่านักอุตุนิยมวิทยาจำเป็นต้องทำการคาดการณ์เป็นเวลา 24 ถึง 36 ชั่วโมง การคาดการณ์สถานการณ์ผลกระทบสูง เช่น พายุเฮอริเคน พายุทอร์นาโด และน้ำท่วม เป็นเรื่องที่ท้าทายกว่าและต้องใช้ทั้งทรัพยากรบุคคลและระบบคอมพิวเตอร์

ตั้งแต่ปี 1950 เป็นต้นมา คอมพิวเตอร์ที่รวดเร็วได้กลายเป็นคำทำนายที่แม่นยำยิ่งขึ้น การคาดการณ์ห้าวันของวันนี้มีความถูกต้องประมาณ 90% ของเวลาตามข้อมูลของ National Oceanic and Atmospheric Administration

การคาดการณ์ 7 วันปรากฏว่าถูกต้อง 80% ของเวลา และการคาดการณ์ 10 วัน 50%

วันนี้ การคาดการณ์พายุเฮอริเคนห้าวันมีความน่าเชื่อถือมากกว่าการคาดการณ์สี่วันในต้นปี 2000 และการคาดการณ์สามวันในปี 1990 และรายงาน Nature ปี 2015 พบว่าการคาดการณ์เป็นเวลาสามถึงสิบวันดีขึ้นประมาณหนึ่งวันในหนึ่งทศวรรษ ซึ่งหมายความว่าการคาดการณ์หกวันในปัจจุบันนั้นแม่นยำเท่ากับการพยากรณ์ห้าวันเมื่อ 10 ปีที่แล้ว

น่าเสียดายที่การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศครั้งใหญ่ทำให้กระบวนการพยากรณ์ซับซ้อนขึ้น มีเรื่องตลกที่ผีเสื้อกระพือปีกในฮ่องกงสามารถเปลี่ยนสภาพอากาศในนิวยอร์กได้ แนวคิดนี้เสนอขึ้นในปี 1972 โดยนักคณิตศาสตร์และนักอุตุนิยมวิทยา Edward Lorenz “ผลกระทบของผีเสื้อ” คือการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยสามารถมีผลกระทบอย่างใหญ่หลวงต่อการพัฒนาระบบทั้งหมด

ในทางปฏิบัติ นี่หมายความว่าคอมพิวเตอร์รุ่นหนึ่งที่ทำงานมากกว่าหนึ่งครั้ง แม้ว่าจะมีความแตกต่างน้อยที่สุดในสภาวะปัจจุบันก็ตาม สามารถให้การคาดการณ์ที่แตกต่างกันได้ ด้วยเหตุนี้ ขีดจำกัดการคาดการณ์ที่เป็นไปได้จึงอยู่ที่ประมาณ 14 วัน Bob Henson กล่าว

"โดยพื้นฐานแล้วลอเรนซ์กล่าวว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายรูปแบบสภาพอากาศเป็นเวลานานกว่าสองสัปดาห์ เพราะปีกผีเสื้อเล็กๆ เหล่านี้และสิ่งเล็กน้อยอื่นๆ อีกนับไม่ถ้วนจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่" เฮนสันกล่าว

นักอุตุนิยมวิทยา จัดท์ มั่นใจว่ามนุษยชาติไม่สามารถทำนายพายุฝนฟ้าคะนองได้ล่วงหน้าเกินสองชั่วโมง ไม่ว่าการสังเกตการณ์จะดีเพียงใด

"สำหรับพายุเฮอริเคนและพายุที่แรงกว่ามาก (และตรวจจับได้ง่ายกว่าล่วงหน้า) ช่วงเวลานี้อาจใช้เวลาสองถึงสามสัปดาห์" เขากล่าว

เมื่อทำการพยากรณ์ นักอุตุนิยมวิทยาจะพิจารณาความไม่แน่นอนโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์หลายครั้ง ในขณะเดียวกันก็จะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันเล็กน้อย แต่ส่วนใหญ่จะคล้ายกันที่บ่อยที่สุดจะเป็นผลลัพธ์สุดท้าย