„Понякога гърми и от ясно небе.“

Сезонното прогнозиране – нова цел за развитието на националната система за хидрометеорологично осигуряване на САЩ.

През последните години беше постигнат значителен напредък в прогнозирането на състоянието на атмосферата и океана. Например, според оценките на UK Met Office, през 2018 г. точността на прогнозиране на траекториите на тропическите циклони за 5 дни достигна същото ниво като през 1992 г. с прогнозата за 2 дни. Смята се, че сега времето за изпълнение на ефективни оперативни прогнози за времето е 5–7 дни. При прогнозиране за по-дълъг период ефективността на такива прогнози не се различава от използването на климатичната информация.

Емпирично е установено, че времето за изпълнение на „новия” метод за прогнозиране спрямо „стария” метод при същото ниво на точност се увеличава с около 1 ден на всеки 10 години. Увеличаването на срока за изпълнение на прогнозата е постоянна задача на хидрометеорологичната наука и системите за хидрометеорологично осигуряване (ХМО) за военноморски дейности.

Стратегическата цел е безпроблемно прогнозиране на земната система. Границите между оперативните прогнози за времето и прогнозите за изменението на климата стават все по-размити с развитието на числените модели на земната система. Напоследък традиционните граници („шевове“) между прогнозите за времето и климата бяха признати за изкуствени. Това послужи като стимул за развитието на „безпроблемни“ системи за прогнозиране, когато едни и същи числени модели се използват както за краткосрочни, така и за дългосрочни прогнози на физическата система на Земята.

СМО разглежда Земята като интегрирана система от атмосфера, океан, криосфера, хидросфера, биосфера, геосфера и антропосфера, чиито компоненти са в динамично взаимодействие помежду си, и разглежда прехода към безпроблемни технологии за прогнозиране на земните системи да бъде стратегическа задача за следващите десетилетия. Следователно технологиите за прогнозиране като цяло ще станат по-сложни, превръщайки се в мултимодел за по-пълно отчитане на физическите, химичните, биологичните и други процеси на земната система.

Тактическата цел е сезонно и субсезонно прогнозиране. На рис. 1 е показана класификацията на прогнозите за времето според тяхната предварителност. По пътя към безпроблемните технологии за прогнозиране лежи времевият диапазон на подсезонни и сезонни прогнози (S2S), т.е. диапазонът от 1-2 седмици до 1 година, което запълва празнината между краткосрочните прогнози за времето и традиционните статистически прогнози за климата.

Рис. 1. Класификация на прогнозите според времето на тяхното изпълнение (предварителност)

Смята се, че науката, отговаряща на изискванията на обществото, вече е достигнала ниво, на което могат да бъдат разработени технологии за прогнози за 2-4 седмици, които по информационно съдържание ще бъдат близки до съвременните краткосрочни и средносрочни прогнози за времето. Ето защо една от основните задачи на тактическия мащаб за следващото десетилетие е задачата да се удължи времето за изпълнение на прогнозите за времето до 2–4 седмици.

Национална инициатива на САЩ „Възможности за прогнозиране на земната система” (ESPC). Инициативата ESPC (Earth System Prediction Capability) е споразумение за съвместно разработване и изграждане на следващо поколение глобални инструменти за анализ на околната среда и прогнози, обхващащи времева рамка от дни до десетилетия. Това споразумение беше подписано през 2010 г. между Министерството на отбраната на САЩ и NOAA, по-късно към тази инициатива се присъединиха и други федерални агенции.

Под система за прогнозиране от ново поколение се разбира напълно свързана глобална система, атмосфера – океан – суша – лед – вълнение – космос, с висока хоризонтална разделителна способност, което дава възможност да се подобри прогнозирането с време за изпълнение до две седмици и до сезон, да се оцени степента на неопределеността на прогнозата за последваща оценка на риска от взетите решения.

Поставя се задачата за преход на хоризонталната разделителна способност на глобалните атмосферни модели от сегашните 20 km на 4 km и по-долу.

Инициативата ESPC е в съответствие с проекта NUOPC (National Unified Operational Prediction Capability – NUOPC), чиято основна цел е подобряване на прогнозите за периоди от 5-16 дни въз основа на прилагането на ансамблови методи за прогнозиране. За интегриране на моделите, разработени от отделните ведомства в рамките на ESPC и NUOPC, се използва архитектурата на общия модел на Земята, който се разработва в рамките на проекта ESPS (Earth System Prediction Suite). ESPS е набор от модели и интерфейси на компонентите на земната система, които се комбинират за създаване на унифицирани модели. Във всички тези проекти военноморските сили на САЩ участват активно.

Преходът към числово прогнозиране на времето (NWP) за повече от 2 седмици изисква решаване не само на технически проблеми, но и на проблема с предсказуемостта на времето.

Предсказуемост на времето.

Решаването на проблема за S2S прогнозиране на състоянието на природната среда е свързано с необходимостта от решаване на фундаментален проблем, свързан с границите на прогнозируемостта на времето.

През 1961 г. метеорологът и математик Едуард Лоренц, който почина през 2008 г., въвежда изходните данни в създадения от него компютърен модел на времето, като ги закръгля не до шести, както обикновено, а до третия знак след десетичната запетая. В резултат на това детерминираният модел на времето доведе до различен резултат от числената симулация. Така се ражда известният термин „ефект на пеперудата“, добре познат от историята на Рей Бредбъри. Тя се разбира като непредвидими последици, причинени от малко въздействие върху първоначалното състояние на системата. На въпроса откъде идват хаосът и непредсказуемостта в една детерминистична система, беше получен отговорът – от силната чувствителност на сложните системи към първоначалните условия.

Най-малкото влияние, което не може да бъде елиминирано – закръгляването на променлива (ако е теоретичен модел), грешка в измерването (ако е система за наблюдение) – и системата се държи напълно различно. Самият Лоренц пише в статията си: „Установено е, че всяка скала на движение има своя собствена граница на предвидимост. Движенията в мащаба на купестите облаци имат граница на предвидимост от 1 час, движенията в синоптичен мащаб няколко дни, а движенията на най-големите системи няколко седмици“.

Въз основа на работата на Лоренц в крайна сметка е създадена теория на хаоса, според която дори с помощта на мощен компютър не можем да изчислим траекторията на хаотична система с разумна точност. На всяка стъпка от изчисленията неизбежно се въвеждат грешки (поради закръгляване на числата и грешки на числените методи), които бързо се натрупват и водят до факта, че намерената траектория е много различна от реалната. Това явление се нарича „динамичен хаос“. Ефектите, идентифицирани от Е. Лоренц, доведоха до осъзнаването на необходимостта от изготвяне на прогнози за времето във вероятностна форма.

Тоест проблемът с NWP, поради хаотичния характер на атмосферата и океана поради грешни или непълни изходни данни, грешки в методите за усвояване на данни и самите числени модели, става изключително сложен. Как се сравнява това с плановете за прогнозиране на състоянието на природната среда за периоди от месеци и сезони толкова успешно, колкото и за една седмица, възможно ли е да се реши проблемът с хаоса, присъщ на природата?