计算机如何模拟和预测天气?

几个世纪以来,天气预报在休闲和经济活动中发挥着至关重要的作用。它决定了您是否可以去野餐或船舶是否可以安全出海。

但是天气预报并不是在 40 年前开始使用先进的计算机。数百年前,人们使用各种手动方法和计算来预测天气,从观察天空寻找风暴的迹象到参考旧的天气报告——而且它们相当准确。

但是现在,天气预报都是数字化的,这就引出了一个问题:计算机如何预测天气?

在计算机之前计算

在电报和电话等高速通信设备出现之前,几乎不可能获得其他地点的最新天气数据。天气预报是人们日常参与的活动,这取决于他们的所见所闻。

天空的特殊阴影、湿度水平和气压——你可以在你的关节中感受到——所有人都必须预测第二天的天气状况。但它们远非准确,充满迷信,并且无法预测未来一两天。

在 1800 年代末和 1900 年代初,天气预报成为一门更严肃的科学。气象服务网络能够远距离通信和交换气象数据。

天气并非凭空而来。它受邻近地区条件的影响。了解附近城镇的天气状况使我们能够预测我们可能遇到的天气类型。

在数字计算机出现之前,气象学家会在地图上手动绘制天气数据。然后他们会分析很长一段时间的数据,寻找趋势和模式。但即使在计算机出现之前,气象学家就有收集大气数据的仪器。例如,他们曾经飞出气象气球以从大气中的更高处获取样本。

蝴蝶效应的诞生

“蝴蝶效应”一词最早是由气象学家爱德华·洛伦兹 (Edward Lorenz) 在 1960 年代创造的,尽管其他人之前也曾对这个话题进行过思考。

洛伦兹用这个词来描述天气系统的敏感性。在重新计算之前的天气预报时,洛伦兹并不是唯一注意到一些奇怪现象的气象学家。即使是最小的数字变化也会导致完全不同的天气预报。

数字的变化是如此微小,以至于他将其比作世界一侧的蝴蝶扇动的翅膀,在另一侧开始了猛烈的风暴

计算机只是方程式的一部分

顾名思义:compute 的意思是计算。 “计算机”曾经是一个让精通数学的人每天坐下来解决数百个数学问题的工作。相反,现代计算机使用数字机器自动执行该过程。

为了尽可能避免陷入黄油效应,现代天气预报模型计算数字并产生高度准确的结果。但即使这样也不足以战胜天气。

当前的天气预报模型可以以 90% 的准确度预测未来五天的天气。之后准确率显着下降。对于 7 天的预测,它达到 80%,对于未来的任何预测,它都达到了大约 50%。

计算机如何预测天气

计算机模型是计算机遵循的一组指令,用于创建真实世界特征或现象的模拟。现代天气预报模型是分析天气数据以预测特征的软件。它们的工作方式与计算机预测股市周期性上涨和下跌的方式相同。

要知道将来会发生什么,您需要知道之前发生了什么和现在正在发生什么。天气预报不是从计算机开始,而是从数据开始。气象学家同时在全球范围内使用各种仪器收集数据。

他们使用风向标测量风速,使用温度计测量温度,使用气压计测量压力,使用湿度计测量湿度。

然后将所有这些数据实施到各种计算机模型中,以对以前的数据和计算进行分析和比较。但是没有一个单一的模型来预测天气。不同的模型专注于天气系统的特定区域,并与其他模型协同工作以创建全貌。

气候模型

气候模型主要负责预测地球或地区气候的变化。气候是一般的平均天气状况,而不是一两天的天气状况。

中尺度模型

中尺度计算机模型分析范围约为 20 公里的区域。他们只分析来自相对较近地区的数据,并用它来预测未来几天的当地天气。

统计模型

统计模型更侧重于数据分析而不是天气模拟。他们查看几十年前的数据并预测天气。同一地点和位置的平均温度和天气条件也有助于预测。

全面的大气模拟

使用气象仪器收集的数据以及各种天气预报模型被实施到地球大气的数字模拟中。模拟中的时间加快,以揭示未来几天全球范围内的大致天气状况。

但是模拟地球的整个大气层并不容易。为了获得频繁和准确的预测, 气象中心使用超级计算机而不是普通计算机

这些理想情况下能够每秒执行超过 14,000 万亿次计算。但即使之后的结果仍然很粗糙。然后由一组高技能气象学家对结果进行审查,以 90% 的准确率进行解释和确认,但绝不是 100%。

除了大气物理之外,模拟还必须适应地球的动力学。科学家使用物理方程来模拟大气过程以及不同天气条件如何相互作用。整个模拟还考虑了地球的自转以及它如何推动全球的天气状况。

天气预报的未来

天气预报从仅仅预测未来几天的天气转变为在大约 100 年内以高精度预测整个弱点。但仍有很大的改进空间。

为了更好地预测,气象学家需要三件事:对地球大气的更深入了解,更准确和频繁的大气数据,以及可以及时分析和管理的强大计算机。所有这些都在不久的将来触手可及。