С самого зарождения численного прогнозирования погоды в конце 1950-х годов метеорологи интересовались внутренними ограничениями этой науки. Новое исследование, опубликованное в журнале «Advances in Atmospheric Sciences», даёт свой ответ на этот вопрос: даже в идеальных условиях существует фундаментальный предел прогнозов, и он составляет около 129 дней.
Предыдущие попытки определить этот предел предсказуемости в основном сосредоточивались на анализе того, как крошечные погрешности в сегодняшних прогнозах нарастают со временем. Однако, как отмечает ведущий автор исследования доктор Вэй Чжан, климатолог из Университета Майами и Кооперативного института морских и атмосферных исследований NOAA (CIMAS), у этого подхода есть фундаментальные «слепые зоны».
«Как мы можем утверждать, что способны составлять точные прогнозы на очень длительный срок, если на самом деле не можем этого продемонстрировать?» — спрашивает Чжан. «К сожалению, нет ни наблюдательных, ни теоретических, ни модельных данных о том, как могут вести себя погрешности, меньшие, чем в современных прогнозах». Без этих знаний неудивительно, что до сих пор не было найдено убедительных ответов.
Исследовательская группа, в состав которой входил соавтор д‑р Золтан Тот, решила выяснить, существует ли кардинально иной взгляд на этот извечный вопрос.
Учёные начали с уточнения ключевого вопроса: если предположить идеальные условия, при которых мы точно знаем начальное состояние атмосферы, её определяющую динамику и все будущие макромасштабные граничные условия, то каков, если таковой вообще существует, будет предельный уровень точности прогнозирования погоды?
В ходе своих исследований, вместо того чтобы сосредоточиться на погрешностях прогнозирования, они вернулись к основам — энергетике атмосферы. Они рассудили, что если начальное состояние известно точно, то это знание будет сохраняться благодаря точно известной динамике атмосферы, что позволит вечно получать идеальные прогнозы истинного состояния. Единственным исключением, однако, является неопределённость квантового масштаба, вносимая в атмосферу фазой фотонов в непрерывном потоке поступающей солнечной радиации, которую они предположили неизвестной.
Если рассмотреть энергетический цикл атмосферы, то солнечное излучение в конечном итоге является источником всего движения и рано или поздно достигает каждой молекулы. Исследователи пришли к выводу, что к моменту, когда солнечная энергия достигает всех слоёв атмосферы, неопределённость, связанная с неизвестной фазой поступающих фотонов, должна стереть всякую память о начальном состоянии — которое в противном случае сохранилось бы навсегда. Другими словами, по прошествии определённого времени — которое они называют «точкой энергетического разворота» — прогнозирование становится невозможным.
Учитывая общую энергию атмосферы, поток поступающего солнечного излучения и связанные с ними погрешности наблюдений, авторы установили 129 ± 7 дней в качестве вероятного предела внутренней (в отличие от модулируемой внешними факторами) предсказуемости погоды. Сегодня точность прогнозов ограничивается примерно 14 днями, так что пока нам есть, куда стремиться.
