Прогнозирование погоды
Прогнозирование погоды преобразует законы физики атмосферы и поток наблюдений в предсказания завтрашнего неба, сочетая численные модели, ассимиляцию данных и честный учет неопределенности.
Definition
Прогнозирование погоды — это применение метеорологических знаний и вычислительных методов для оценки будущего состояния атмосферы на временных горизонтах от минут до недель, выраженное детерминированно или вероятностно.
Scope
Эта область охватывает методы, используемые для прогнозирования будущей погоды, включая численные модели, которые интегрируют управляющие уравнения во времени, ассимиляцию данных, которая привязывает их к наблюдениям, ансамблевые методы, которые количественно определяют предсказуемость и неопределенность, а также статистические подходы и методы сверхкраткосрочного прогнозирования, используемые на коротких временных интервалах.
Sub-topics
Core questions
- Как решаются управляющие уравнения атмосферы для прогнозирования ее будущего состояния?
- Как разрозненные наблюдения объединяются с моделями для определения начальных условий?
- Почему предсказуемость погоды ограничена и как количественно оценивается неопределенность прогноза?
- Как производятся и проверяются краткосрочные и статистические прогнозы?
Key theories
- Численное прогнозирование погоды
- Погоду можно прогнозировать путем интегрирования дискретизированных примитивных уравнений вперед от наблюдаемого начального состояния — идея, предложенная Бьеркнесом и Ричардсоном и реализованная, когда электронные компьютеры и сети передачи данных сделали ее практичной.
- Предсказуемость и чувствительная зависимость
- Поскольку атмосфера является хаотической системой, малые ошибки в начальном состоянии со временем растут, накладывая внутреннее ограничение на детерминированное прогнозирование и мотивируя вероятностное, ансамблевое прогнозирование.
Mechanisms
Прогноз начинается с оценки текущего состояния атмосферы посредством ассимиляции данных, которая объединяет краткосрочный модельный прогноз с новыми наблюдениями. Затем численная модель интегрирует управляющие уравнения во времени на сетке, представляя неразрешенные процессы, такие как конвекция и радиация, посредством параметризаций. Поскольку начальные ошибки накапливаются, многие прогнозы выполняются из немного отличающихся начальных точек и конфигураций моделей, образуя ансамбль, разброс которого количественно определяет неопределенность; статистическая постобработка и быстро обновляемые сверхкраткосрочные прогнозы уточняют предсказания на коротких временных интервалах.
Clinical relevance
Прогнозы погоды защищают жизнь и имущество и лежат в основе авиации, сельского хозяйства, энергетики, управления водными ресурсами и готовности к стихийным бедствиям; постоянное улучшение численного прогнозирования, часто называемое тихой революцией, продлило точные прогнозы примерно на один день за десятилетие и сделало вероятностные рекомендации центральными для принятия решений.
History
Вильгельм Бьеркнес сформулировал проблему прогнозирования погоды как вычислительную задачу с начальными значениями около 1904 года, а Льюис Фрай Ричардсон предпринял ручной расчет в 1920-х годах; первые успешные численные прогнозы появились с вычислениями Чарни и фон Неймана на ENIAC около 1950 года. Открытие Лоренцем хаоса в 1960-х годах переосмыслило прогнозирование как по своей сути вероятностное, а растущая вычислительная мощность, глобальные наблюдения и ассимиляция данных привели к появлению современных операционных систем, основанных на ансамблевых методах.
Key figures
- Vilhelm Bjerknes
- Lewis Fry Richardson
- Jule Charney
- Edward Lorenz
Related topics
Seminal works
- kalnay2003
- lorenz1963
Frequently asked questions
- Почему прогнозы погоды менее надежны на срок более недели?
- Атмосфера хаотична, поэтому крошечные неопределенности в начальных условиях быстро растут; примерно через одну-две недели эти ошибки подавляют прогноз, устанавливая практический предел для ежедневной предсказуемости, который никакая вычислительная мощность не может устранить.
- Что на самом деле означает процентная вероятность дождя?
- Это вероятностный прогноз, часто полученный из ансамбля модельных расчетов или статистических методов, выражающий вероятность выпадения измеримых осадков в данном месте; 30-процентная вероятность означает, что в аналогичных ситуациях дождь выпадает примерно в трех случаях из десяти.