Meteorológia – fyzika atmosféry

Mnohí sa rozprávajú o počasí, len aby reč nestála. My sme sa zhovárali o počasí s meteorologičkou Luciou Sokolovou, aby sme sa dozvedeli, ako vznikajú predpovede.

Predpoveď počasia nie vždy vyjde. Do akej miery sa teda dá o meteorológii hovoriť ako o vede?
Ľudia sa stretávajú najmä s výsledným produktom meteorológie, ktorým je predpoveď počasia. Aby však vôbec vznikla a mohol ju niekto prezentovať, za tým je množstvo práce, aj vedeckej.

Od akých čias hovoríme o meteorológii ako o vede?
Ak nerátam onú známu vetu … už v starovekom Egypte, Perzii, Číne…, tak začiatok modernej meteorológie môžeme datovať do 17. storočia. V jeho začiatku Galileo Galilei zostrojil prvý kvapalinový teplomer a v roku 1643 Evangelista Torricelli uskutočnil prvé meranie atmosférického tlaku pomocou hydrostatického tlaku ortuti. Od 18. a 19. storočia sú známe princípy, ktorým atmosféra podlieha. Keďže je zmesou plynov, ide v podstate o zákony zachovania pre plynné kontinuum. Tieto princípy sa definovali aj matematicky – sú zapísané vo forme par- ciálnych nelineárnych diferenciálnych rovníc. Ide o zložité rovnice, ktoré sa nedajú riešiť analyticky, robí sa to numerickými metódami, pričom to uľahčil až rozvoj výpočtovej techniky. Keďže z hľadiska fyziky je atmosféra nelineárnym dynamickým systémom, hovoríme, že deje v nej podliehajú tzv. deterministickému chaosu.

Čo si máme pod tým predstaviť?

Mgr. Lucia Sokolová sa po absolvovaní vysokoškolského štúdia na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK v odbore fyzika – meteorológia a klimatológia v roku 2005 naplno začlenila do kolektívu synoptických meteorológov odboru meteorologických predpovedí a výstrah Centra predpovedí a výstrah SHMÚ. Zúčastnila sa viacerých odborných seminárov, konferencií a workshopov v zahraničí, najmä na tému nebezpečných prejavov počasia spojených s konvekciou a možného zlepšenia ich predpovedania.

Procesy v atmosfére sú citlivé na počiatočné podmienky, sú do istej miery chaotické a javia sa ako náhodné. Na druhej strane sú však i deterministické – podliehajú zákonom, systém ich fungovania je dobre definovaný a neobsahuje nijaké náhodné parametre. Jednotlivé meteorologické prvky ako teplota, tlak či vlhkosť vzduchu sú navzájom previazané a úzko spolu súvisia. Citlivosť atmosféry na počiatočné podmienky má však významný vplyv na úspešnosť odhadu jej budúceho stavu. Jednoduchšie povedané, z podmienok nameraných v atmosfére v konkrétnom čase sa na základe fyzikálnych zákonov vieme deterministicky posunúť smerom dopredu. Inými slovami – dokážeme vypočítať, čo by sa malo diať o niekoľko minút, hodín – a s veľkou pravdepodobnosťou to bude dobre, ale len na pomerne krátke obdobie dopredu. Vieme totiž, že to, čo máme namerané ako naše počiatočné podmienky, nie je stopercentná informácia o reálnom stave atmosféry. Merania majú spravidla nejakú chybu a už len malá chybička vnesená do predpovedného modelu v začiatku, môže na obdobie niekoľkých dní dopredu znamenať veľkú odchýlku výpočtu od reality.

Aký je postup pri vytváraní predpovedí počasia?
Predpoveď počasia stojí v podstate na štyroch pilieroch. Prvým sú merania a pozorovania. Potrebujeme poznať aktuálny stav atmosféry, aby sme mali z čoho vychádzať. Štandardne ide o teplotu, tlak, vlhkosť vzduchu, smer a rýchlosť vetra – to sú základné parametre. No je dôležité získať jednotlivé hodnoty nielen pre vzduch v blízkosti zemského povrchu, ale aj vo vyšších vrstvách ovzdušia. To vieme zisťovať tzv. aerologickými meraniami, resp. sondážami. Zložitejšími prístrojmi, ako sú meteorologické rádiolokátory a družice, nepriamym spôsobom meriame odvodené veličiny – napríklad odrazivosť či jasovú teplotu. Javy, na meranie ktorých nie sú prístroje, pozorujeme – ide o typ zrážok, druh oblakov, množstvo oblohy pokrytej oblakmi a podobne.

V čom spočíva druhý pilier?
Ten môžeme označiť za vedomostný, či ešte lepšie – za aplikáciu vedy. Ide o využitie zákonov fyziky, ktorým podlieha atmosféra. Tretí pilier predstavuje spojenie prvých dvoch, hovoríme o numerickom predpovedaní počasia. Ide o počítačové modely, ktorými simulujeme budúci vývoj atmosféry. Deje sa to v superpočítačoch, pretože predpovedné modely atmosféry sú vlastne veľmi rozsiahle počítačové programy. Len na ilustráciu – vytlačený kód takého počítačového programu by vydal na niekoľko kníh Harryho Pottera. Obrovské množstvo čísel z prvého piliera sa vkladá v počiatočných podmienkach do predpovedného modelu, čo je tretí pilier, v ktorom sú relevantné fyzikálne rovnice z druhého piliera, a v nasledujúcich časových krokoch dochádza k vyrátaniu ďalších a ďalších čísel.

A štvrtý pilier?
Po niekoľkých hodinách počítania nám superpočítač poskytne výstupy – predpovedné materiály, čo sú spravidla rôznorodé mapy a grafy. Štvrtý pilier predstavuje finalizácia – tvorba samotnej predpovede meteorológom, ktorý jednotlivé výstupy predpovedného modelu analyzuje, posudzuje a môže ich aj opraviť.

Človek opravuje výpočet superpočítača…?
Niektoré chyby modelov sú totiž systematické a tie sa dajú pomerne jednoducho opraviť. Meteorológ by to však fyzicky nemal šancu spraviť pre všetky predpovedné body v rámci pravidelnej siete modelu, preto sa to robí štandardne plošne – vo forme textovej predpovede. A vlastne aj vo výstrahách. To sú v podstate tiež plošné predpovede, špeciálne pre výskyt nebezpečných meteorologických javov.

Ako často v priebehu dňa dochádza k predstavenému procesu predpovede počasia?
Každý z pilierov má rôznu frekvenciu. Pri automatických meraniach ide o kontinuálne merania – v princípe máme nové údaje namerané každú minútu. Z geostacionárnych družíc je táto frekvencia v celosvetovom meradle každých 15 minút, pre Európu aj každých 5 minút. Merania našich radarov máme k dispozícii tiež každých 5 minút. Štandardne sa však využívajú hodinové informácie, ktoré si navzájom celosvetovo vymieňame v každej celej hodine svetového času (UTC). Nie je však mysliteľné, aby predpovedné modely nanovo počítali vývoj v atmosfére každú hodinu. Štandardne sa ráta nanajvýš štyri razy za deň, čiže každých 6 hodín. Vychádza sa z meraní o polnoci, šiestej, dvanástej a o osemnástej UTC.

Vychádza mi, že meteorológ využíva najmä fyziku a matematiku…
V podstate áno. Azda by som ešte doplnila, že okrem toho musí mať aj slušné geografické vedomosti o území, pre ktoré pripravuje predpoveď. K spomenutým vedám by som teda rozhodne pridala geografiu. V rámci predpovedania počasia je vhodné poznať aj malé rozdiely medzi susednými údoliami, ktoré môžu vo výsledku počasie významne ovplyvniť. V princípe však môžeme meteorológa označiť za aplikovaného fyzika, programátora či matematika. Závisí to od odvetvia meteorológie, ktorému sa venuje.
Vy sa venujete ktorému odvetviu? Ja som tzv. synoptická meteorologička, to znamená, že posudzujem výstupy z predpovedných modelov, monitorujem počasie, viem vyhodnotiť jeho aktuálne zmeny a venujem sa tvorbe rôznorodých predpovedí počasia, ako aj výstrah.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 07/2018.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Za rozhovor ďakuje redakcia Quarku
Foto Pixabay, Fotky&Foto

Komentáre