Miten sää syntyy ja kuinka tarkasti voit ennustaa sen?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Ennustajat lupaavat aurinkoisen päivän ja ikkunan ulkopuolella lumimyrskyn. Ennusteiden epätarkkuudet liittyvät sekä nopeasti muuttuviin ympäristöolosuhteisiin että globaaleihin ilmastomuutoksiin. Siitä huolimatta nykyaikaiset meteorologit ovat tehneet läpimurron ennustamisessa, nykyään tähän käytetään matemaattisia algoritmeja, luodaan uusia menetelmiä ja työkaluja nykyisten sääolosuhteiden tutkimiseen.

Se, miten luonnonilmiöitä tutkitaan nykyään ja onko mahdollista tehdä täysin tarkkoja ennusteita tulevaisuudessa, oli helposti saatavilla yhdysvaltalaisessa populaaritieteellisessä Discoverissa. T&P mukautti artikkelin ja käänsi sen.

Miten sää syntyy

Maan ilmakehän kerros koostuu pääasiassa typestä, hapesta ja vesihöyrystä. Tämä ilma käyttäytyy kuin neste ja virtaa paikasta toiseen muuttaa lämpötilaa, kosteutta ja muita ominaisuuksia. Sää on ilmakehän sivutuote, joka kuljettaa lämpöä paikasta toiseen.

Viileämpi ilma on tiheää eikä pysty sitomaan paljon kosteutta; lämpimämpi ilma on vähemmän tiheää ja siihen mahtuu enemmän vettä. Erilämpöisten ja -tiheyksien ilmaalueiden törmäyksessä syntyy sadetta, kun jäähtyneestä lämpimästä ilmasta muodostuu vettä. Muita sateita voi esiintyä. Kun lämmin, kostea ilma nousee ylöspäin, se jäähtyy ja vesi tiivistyy ilmaan suspendoituneiden hiukkasten päälle. Nousevat pisarat painavat ja putoavat myöhemmin maan päälle.

Hurrikaani muodostuu, kun merivesi lämpenee yli 27 ℃ ja haihtuu nopeasti, ja ilma valtameren yllä lämpenee ja nousee. Sen tilalle tulee kylmää ilmaa, joka myös lämpenee ja nousee. Nämä liikkeet luovat voimakkaita tuulia, muodostuu hurrikaani.

Miten luonnonilmiöitä tutkittiin ennen

Tieteelliset säähavainnot alkoivat renessanssilla, jolloin ilmapuntarit ja lämpömittarit keksittiin. Muinaiset eurooppalaiset tutkijat, kuten Galileo, käyttivät näitä työkaluja sääilmiöiden selittämiseen.

Mutta varhaiset ennusteet olivat rajallisia ja perustuivat vain olettamukseen, että menneisyys määrää tulevan käyttäytymisen.

"Jos on myrsky tänään Kansasissa ja seuraavana päivänä Missourissa, voit sanoa, että se tulee Illinoisiin seuraavana päivänä", selittää Bob Henson, meteorologi ja Weather Undergroundin kirjoittaja.

Tämä menetelmä toimii vakavissa olosuhteissa - kun myrsky liikkuu vähitellen tai kun paikallinen ilmasto ei muutu paljon päivästä toiseen (esimerkiksi Etelä-Kaliforniassa).

Tämä yksinkertainen menetelmä ei kuitenkaan ota huomioon muuttuvia olosuhteita: esimerkiksi myrskyt muodostuvat nopeasti konvektiosta (ilmamäärän siirtyminen korkeudesta toiseen, Arkhimedeen voiman vuoksi. - Toim.). Onneksi nykymaailmassa on uusia tapoja ennustaa säätä. Ennusteita eivät tee ihmiset katsovat karttoja ja eilisen ylä- ja alamäet, ne ovat koneet.

Ajantasaiset sääennusteet

Meteorologit käyttävät numeerista sääennustetta syöttämällä tietoja tämänhetkisistä sääolosuhteista. Sitten ne käsitellään tietokonemallissa. Mitä osuvampia ja tarkempia tietoja syötetään, sitä tarkempi ennuste on. Näiden tietojen saamiseksi käytetään instrumentteja, kuten sääpalloa, lentokoneita, satelliitteja ja valtameripoijuja.

Säämallit jakavat alueen, osavaltion tai jopa koko maapallon soluihin. Niiden koko vaikuttaa ennusteen tarkkuuteen. Suurista suorakulmioista on vaikeampi nähdä, mitä pienillä alueilla tapahtuu, mutta ne antavat yleiskuvan säätrendeistä ajan mittaan. Tämä yleinen ennuste on tarpeen esimerkiksi myrskyn liikkeen määrittämiseksi.

Pienet solut, joissa on korkeampi resoluutio, mahdollistavat ennustamisen lyhyemmällä ajanjaksolla – yhdestä kahteen päivään – ja kattavat vain tietyn alueen. Jotkut mallit voivat keskittyä tiettyihin tietoihin, kuten tuulen nopeus, lämpötila ja kosteus. Siksi kaksi tietokonemallia voivat antaa hieman erilaisia tuloksia jopa täsmälleen samoilla ensihavainnoilla.

Ovatko täydelliset ennusteet mahdollisia?

"Tietokonemallit riittävät päivittäisiin sääennusteisiin, joten meteorologit eivät lisää tähän paljon", sanoo Schumacher, ilmakehätieteiden apulaisprofessori Colorado State Universitystä. – Mutta tämä ei tarkoita, ettei ihmisiä tarvittaisi ollenkaan. Ennustaja voi tunnistaa epätarkkuudet tietokonejärjestelmän tuottamissa tiedoissa."

Sademäärä on paljon vaikeampi ennustaa kuin lämpötila, sanoo Matt Kölsch, hydrometeorologi University's Atmospheric Research Corporationista Boulderissa.

”Lämpötila on jatkuva kenttä, sitä on kaikkialla. Sade on jaksoittainen kenttä, paikoin voi sataa tai lunta, mutta toisaalla ei tule ollenkaan."

Alueen maisemapiirteet, kuten kukkulat, rantaviivat, vaikuttavat sateeseen, eivätkä tietokonemallit aina ota tätä huomioon. Kölsch sanoo, että meteorologia tarvitaan ennusteiden tekemiseen 24-36 tunnin ajalle. Vaikuttavien tilanteiden, kuten hurrikaanien, tornadojen ja tulvien ennustaminen on haastavampaa ja vaatii sekä henkilöresursseja että tietokonejärjestelmiä.

1950-luvulta lähtien nopeista tietokoneista on tullut yhä tarkempia ennusteita. Tämän päivän viiden päivän ennuste on tarkka noin 90 % ajasta National Oceanic and Atmospheric Administrationin mukaan.

7 päivän ennuste osoittautuu oikeaksi 80 % ajasta ja 10 päivän ennuste 50 % ajasta

Nykyään viiden päivän hurrikaaniennuste on luotettavampi kuin neljän päivän ennuste 2000-luvun alussa ja kolmen päivän ennuste 1990-luvulla. Vuoden 2015 Nature-paperissa todettiin, että ennusteet kolmesta kymmeneen päivään paranivat noin päivällä vuosikymmenessä, mikä tarkoittaa, että nykyinen kuuden päivän ennuste on yhtä tarkka kuin viiden päivän ennuste 10 vuotta sitten.

Valitettavasti suuret ilmastomuutokset vaikeuttavat ennustamisprosessia. On vitsi, että Hongkongissa räpyttelevä perhonen voi muuttaa säätä New Yorkissa. Tämän ajatuksen esitti vuonna 1972 matemaatikko ja meteorologi Edward Lorenz. "Perhonen vaikutus" on se, että pienillä muutoksilla voi olla valtava vaikutus koko järjestelmän kehitykseen.

Käytännössä tämä tarkoittaa, että yksi tietokonemalli, joka ajetaan useammin kuin kerran, voi pienimmälläkin erolla vallitsevissa olosuhteissa antaa erilaisia ennusteita. Tästä johtuen mahdollinen ennustamisraja on noin 14 päivää, Bob Henson sanoo.

"Lorenz sanoi periaatteessa, että on mahdotonta ennustaa sääkuvioita kahdelle viikolle, koska nämä pienet perhosen siivet ja lukemattomat muut pienet asiat johtavat suuriin muutoksiin", Henson sanoo.

Meteorologi Judt uskoo, että ihmiskunta ei voi koskaan ennustaa ukkosmyrskyä pari tuntia aikaisemmin, olivatpa havainnot kuinka hyviä tahansa.

"Hurrikaanien ja myrskyjen, jotka ovat paljon voimakkaampia (ja siksi helpompi havaita etukäteen), ajanjakso voi olla kahdesta kolmeen viikkoa", hän sanoo.

Ennusteita tehdessään meteorologit huomioivat epävarmuustekijät käyttämällä matemaattista mallia useita kertoja. Samalla se antaa hieman erilaisen tuloksen, mutta suurin osa niistä on samanlaisia. Yleisimmät ovat lopputulos.