Ինչպես է եղանակի կանխատեսումը հասնում հեռախոսին

Մինչ տասնյոթերորդ դար մարդկությունը չուներ մթնոլորտի վիճակը օբյեկտիվորեն չափելու ոչ մի գործիք։

«Հիդրոօդերևութաբանության և մոնիթորինգի կենտրոն» ՊՈԱԿ-ի տնօրեն Լևոն Ազիզյանի գրառումը․

Գիտության ամենաերկար շղթան․ ինչպես է եղանակի կանխատեսումը հասնում ձեր հեռախոսին(փոքր ինչ երկար, բայց հետաքրքիր)

Դուք բացում եք հեռախոսը, տեսնում «+23°, ամպամած» և որոշում՝ վերցնե՞լ բաճկոն, թե ոչ։ Երեք վայրկյան և արդեն մոռանում եք դրա մասին։ Բայց այդ փոքրիկ թվի հետևում կանգնած է չորս դար ձգվող շղթա՝ Գալիլեյի առաջին ջերմաչափից մինչև գերհամակարգիչներ, որոնք մթնոլորտի հավասարումները լուծում են քվադրիլիոնավոր գործողություններով վայրկյանում։ Փորձենք հասկանալ, թե ինչպես է կառուցված այդ շղթան և գիտության, ինժեներիայի ու միջազգային համագործակցության ինչ հսկայական շերտ է թաքնված սովորական եղանակի կանխատեսման հետևում։

Թիվ, որը ոչ ոք չի գնահատում

Դուք ապաբլոկավորում եք հեռախոսը, նայում էկրանին - «+23°, փոփոխական ամպամածություն, քամի՝ 5 մ/վ» — և որոշում՝ անձրևանոց վերցնե՞լ, թե չէ։ Ամբողջ գործընթացը տևում է երեք վայրկյան։ Սակայն այդ երեք վայրկյանի հետևում մարդկությունը կառուցել է ավելի քան չորս դար տևած շղթա։ Այն սկսվում է մթնոլորտը չափելու առաջին սարքերից, անցնում է ֆիզիկայի հիմնարար օրենքների բացահայտմամբ, կապի միջոցների հեղափոխությամբ, հաշվարկային մեքենաների ստեղծմամբ և գլոբալ տվյալների փոխանցման ցանցի ձևավորմամբ։ Հեռացրեք այդ շղթայի ցանկացած օղակ և էկրանի թիվը պարզապես կվերանա։

Նախ պետք էր սովորել չափել

Մինչ տասնյոթերորդ դար մարդկությունը չուներ մթնոլորտի վիճակը օբյեկտիվորեն չափելու ոչ մի գործիք։ Եղանակը գնահատվում էր զգացողություններով, ժողովրդական նշաններով և կենդանիների վարքով։ Ամեն ինչ փոխվեց մի քանի տասնամյակների ընթացքում։

1592 թվականին Գալիլեյը ստեղծեց ջերմաչափի նախատիպը՝ թերմոսկոպը՝ հեղուկով լցված խողովակ, որը արձագանքում էր ջերմաստիճանի փոփոխությանը։ 1643 թվականին Գալիլեյի աշակերտ Էվանջելիստա Տորիչելլին շրջեց սնդիկով լցված խողովակը և հայտնաբերեց, որ մթնոլորտը ճնշում է գործադրում մակերևույթի վրա չափելի ուժով — այդպես ծնվեց բարոմետրը։ 1714 թվականին Դանիել Ֆարենհեյտը ստեղծեց առաջին հուսալի սնդիկային ջերմաչափը՝ վերարտադրելի սանդղակով։ Ավելի ուշ հայտնվեցին խոնավաչափերը՝ օդի խոնավությունը չափելու, և անեմոմետրերը՝ քամու արագությունը չափելու համար։ Պատմության մեջ առաջին անգամ մթնոլորտը քմահաճ տարերքից վերածվեց թվերի համակարգի։

Օրենքներ, առանց որոնց հավասարումները հնարավոր չեն

Միաժամանակ ֆիզիկոսները բացահայտում էին օրենքները, որոնք կառավարում են օդի վարքը։ 1662 թվականին Ռոբերտ Բոյլը հաստատեց գազի ճնշման և ծավալի կապը։ 1802 թվականին Ժոզեֆ Գեյ-Լյուսակը նկարագրեց գազի ծավալի կախվածությունը ջերմաստիճանից։ 19-րդ դարի կեսերին Սադի Կարնոն, Ռուդոլֆ Կլաուզիուսը և Ուիլյամ Թոմսոնը ձևակերպեցին թերմոդինամիկայի սկզբունքները՝ օրենքներ որոնք որոշում են, թե ինչպես է էներգիան փոխակերպվում աշխատանքի և ջերմության: Առանց այդ օրենքների մթնոլորտը կմնար թվերի հավաքածու առանց դրանց միջև կապերի: Դրանց շնորհիվ այն դարձավ ֆիզիկական համակարգ, որի վարքը, սկզբունքորեն, հնարավոր է հաշվարկել։
1757 թվականին Լեոնարդ Էյլերը գրեց իդեալական հեղուկի շարժման հավասարումները։ 1822 թվականին Կլոդ-Լուի Նավիեն դրանք լրացրեց մածուցիկության հաշվառմամբ, իսկ 1845 թվականին Ջորջ Սթոքսը վերջնական ձևակերպեց Նավիե-Սթոքսի հավասարումը, որը նկարագրում է ցանկացած հեղուկի և գազի ներառյալ մթնոլորտի շարժումը։ Մաթեմատիկական հիմքը եղանակի հաշվարկի համար պատրաստ էր դեռևս 19-րդ դարի կեսերին։ Սակայն այդ հավասարումները իրական մթնոլորտի համար լուծելը գործնականում անհնար էր։

Հեռագիր. առաջին հեղափոխությունը օդերևութաբանությունում

Ջերմաչափն ու բարոմետրը պատմում էին եղանակի մասին այստեղ և հիմա։ Բայց կանխատեսելու համար պետք է իմանալ, թե ինչ է տեղի ունենում հարյուրավոր կիլոմետրեր հեռու, քանի որ վաղվա եղանակը գալիս է այնտեղից։

Մինչև 19-րդ դարի կեսերը տվյալները տեղափոխվում էին ձիու արագությամբ։ Էլեկտրական հեռագրի հայտնագործումը 1830–1840-ականներին փոխեց ամեն ինչ։ Առաջին անգամ տասնյակ կետերից ճնշման, ջերմաստիճանի, քամու տվյալները հնարավոր էր հավաքել մի կետում ավելի արագ, քան շարժվում էր եղանակը։
1854 թվականին, Ղրիմում ֆրանս-բրիտանական նավատորմը կործանած փոթորիկից հետո, ֆրանսիացի Ուրբեն Լևերյեն առաջարկեց ստեղծել հեռագրով տվյալներ փոխանցող օդերևութաբանական կայանների ցանց։ Մի քանի տարի անց նման ցանցեր գործարկվեցին Եվրոպայում և ԱՄՆ-ում։
Ծնվեց սինոպտիկական օդերևութաբանությունը՝ եղանակի քարտեզների ընթերցման արվեստը։ Սինոպտիկը նայում էր քարտեզին, տեսնում, թե որտեղ է ձևավորվում ցիկլոնը և, փորձի հիման վրա, գնահատում դրա ընթացքը: Դա կանխատեսում էր, որը հիմնված էր ինտուիցիայի և փորձի վրա, այլ ոչ թե հաշվարկի: Այն աշխատեց, բայց ոչ բավականաչափ լավ:

Մարդը, ով փորձեց հաշվել

1904 թվականին նորվեգացի ֆիզիկոս Վիլհելմ Բյերկնեսը ձևակերպեց հեղափոխական գաղափար․ եղանակը կարելի է կանխատեսել՝ թվային եղանակով լուծելով մթնոլորտի ֆիզիկայի հավասարումները։ Բրիտանացի մաթեմատիկոս Լյուիս Ֆրայ Ռիչարդսոնը փորձեց դա իրականացնել ձեռքով։ Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ նա հաշվարկեց վեցժամյա կանխատեսում մեկ կետի համար։ Հաշվարկը տևեց վեց շաբաթ և տվեց անհեթեթ արդյունք՝ նրա կանխատեսման մեջ մթնոլորտային ճնշումը աճել է այնպիսի մեծությամբ, որն իրական մթնոլորտում ֆիզիկապես անհնար է։

Նա սխալվել էր ոչ թե ֆիզիկայում, այլ թվային մեթոդում։ Ռիչարդսոնը հաշվարկել էր, որ իրական ժամանակում կանխատեսման համար պետք կլինի 64 հազար հաշվարկիչներով լցված դահլիճ։ Իրականում նա նկարագրել էր գերհամակարգիչը դեռ դրա ստեղծումից 30 տարի առաջ։

Մեքենան, որը լուծեց հավասարումները

Ռիչարդսոնի երևակայությունը իրականություն դարձավ Ջոն ֆոն Նեյմանի շնորհիվ։ 1940-ականների վերջում ֆոն Նեյմանը՝ համակարգչային ճարտարապետության հիմնադիրներից մեկը, հասկացավ, որ եղանակի կանխատեսումը իդեալական խնդիր է էլեկտրոնային հաշվարկային մեքենաների համար։ 1950 թվականին նրա ղեկավարած խումբը՝ օդերևութաբան Ժյուլ Շառնին, ծրագրավորող Ռագնար Ֆյորտոֆտը և այլ մասնագետներ, իրականացրեցին առաջին հաջող թվային եղանակային կանխատեսումը ENIAC համակարգչով։ Մեքենան կշռում էր 27 տոննա, զբաղեցնում էր մի ամբողջ դահլիճ և 24 ժամ աշխատում էր՝ 24 ժամվա կանխատեսում ստանալու համար։ Կանխատեսումը կոպիտ էր, բայց ֆիզիկապես հիմնավորված։ Բյերկնեսի հավասարումները վերջապես «աշխատեցին»։

1950–1960-ական թվականների ընթացքում համակարգիչներն ավելի արագ դարձան, մոդելներն՝ ավելի բարդ, իսկ կանխատեսումները՝ ավելի ճշգրիտ։ Վաթսունականների կեսերին առաջատար երկրների օդերևութաբանական ծառայությունները սկսեցին օպերատիվ թվային կանխատեսումներ հրապարակել։

Արբանյակներ․ հայացք վերևից

Գետնամերձ օդերևութաբանական կայանները ցամաքը ծածկում են անհավասարաչափ, իսկ օվկիանոսները՝ գրեթե ոչ։ Մոլորակի երկու երրորդը մնում էր «կույր գոտի»։ 1960 թվականին NASA-ն արձակեց TIROS-1-ը՝ առաջին օդերևութաբանական արբանյակը։ Այն գործեց ընդամենը 78 օր, սակայն առաջին անգամ թույլ տվեց ամբողջությամբ տեսնել ամպային համակարգերը՝ բարձրությունից։ Պարզ դարձավ, որ ցիկլոնները, որոնք սինոպտիկները փորձում էին հետևել առանձին կայանների տվյալներով, ունեն հստակ պարուրաձև կառուցվածք, որը տեսանելի է տիեզերքից։

Այսօր եղանակը դիտարկում են տասնյակ արբանյակներ։ Գեոստացիոնար արբանյակները «կախված» են հասարակածի վերևում և յուրաքանչյուր տասը րոպեն մեկ լուսանկարում են ամբողջ կիսագունդը։ Բևեռային ուղեծրով շարժվող արբանյակները օրական երկու անգամ սկանավորում են ամբողջ մոլորակը՝ չափելով մթնոլորտի ջերմաստիճանը տարբեր բարձրություններում, խոնավությունը, քամին՝ ամպերի շարժով, ինչպես նաև օվկիանոսի մակերևույթի ջերմաստիճանը։ Առանց արբանյակային տվյալների ժամանակակից կանխատեսումը կկորցներ իր ճշգրտության մինչև մեկ երրորդը։

Զոնդեր, բույեր, ռադարներ և ինքնաթիռներ

Արբանյակները մթնոլորտը տեսնում են վերևից, սակայն ճշգրիտ կանխատեսման համար անհրաժեշտ են տվյալներ նաև ներսից։ Ամեն տասներկու ժամը մեկ՝ ճիշտ 00:00 և 12:00-ին Գրինվիչի ժամանակով, աշխարհի որոշ օդերևութաբանական կայաններ միաժամանակ արձակում են ռադիոզոնդեր՝ փոքր սարքեր փուչիկների վրա, որոնք բարձրանում են մինչև 30 կիլոմետր և յուրաքանչյուր մակարդակում փոխանցում ջերմաստիճանի, խոնավության և ճնշման տվյալներ։ Ամեն օր արձակվում է մոտ 1600 զոնդ։
Օվկիանոսներում տվյալներ հավաքում են բույերն ու Argo ցանցի լողացող ավտոնոմ սարքերը՝ ավելի քան 4000 միավոր, որոնք չափում են ջերմաստիճան և աղայնություն մինչև երկու կիլոմետր խորության վրա։ Կոմերցիոն ինքնաթիռները փոխանցում են քամու և ջերմաստիճանի տվյալներ թռիչքային բարձրության վրա՝ ապահովելով օրական տասնյակ հազարավոր դիտարկումներ։ Դոպլերային ռադարները վերահսկում են տեղումները և մակերևույթին մոտ քամիները։
Այս ամբողջ տեղեկատվությունը ստանդարտացված կապի ուղիներով հոսում է համաշխարհային օդերևութաբանական կենտրոններ և համակարգվում է Համաշխարհային օդերևութաբանական կազմակերպության կողմից։ Ընդհանուր հոսքը՝ օրական միլիոնավոր դիտարկումներ։

Տվյալների յուրացում․ ամենաբարդ փուլը

Դիտարկումների և կանխատեսման միջև կա մի փուլ, որի մասին հանրությունը գրեթե երբեք չի լսում՝ տվյալների յուրացում։ Խնդիրն այն է, որ դիտարկումները տարաբնույթ են․ զոնդը չափում է ջերմաստիճանը մեկ կետում, արբանյակը՝ մթնոլորտային սյան միջին արժեքը, բույը՝ օվկիանոսի մակերևույթի ջերմաստիճանը։ Իսկ մոդելին անհրաժեշտ է ջերմաստիճանի, ճնշման, քամու և խոնավության ամբողջական եռաչափ դաշտ՝ յուրաքանչյուր ցանցային բջջում ամբողջ մոլորակի համար։
Տվյալների յուրացման խնդիրը կայանում է միլիոնավոր տարաբնույթ դիտարկումները մաթեմատիկորեն համադրելու նախորդ մոդելային վիճակի հետ և ստանալու մթնոլորտի ներկա վիճակի լավագույն գնահատականը։

Սա հսկայական հաշվարկային խնդիր է, որը կիրառում է վարիացիոն վերլուծության և Կալմանի ֆիլտրի մեթոդներ։ Տվյալների յուրացումը սպառում է օդերևութաբանական կենտրոնի հաշվարկային ռեսուրսների զգալի մասը՝ երբեմն համադրելի հենց կանխատեսման հաշվարկի հետ։ Սակայն առանց այս քայլի մոդելը չէր իմանա, թե որ վիճակից պետք է մեկնարկի։

Սուպերհամակարգիչը հաշվում է ապագան

Սկզբնական վիճակը ստանալուց հետո մոդելը սկսում է կանխատեսումը։ Շարժման հավասարումները, թերմոդինամիկան, խոնավության և ճառագայթման փոխանցումը լուծվում են քայլ առ քայլ՝ մոդելային ժամանակի յուրաքանչյուր մի քանի րոպեն մեկ։ Առաջատար կենտրոնների ժամանակակից օպերատիվ մոդելները՝ ECMWF-ը Եվրոպայում, GFS-ը ԱՄՆ-ում, Ռոսհիդրոմետի մոդելը Ռուսաստանում, աշխատում են մոտ 9–13 կիլոմետր տարածական լուծաչափով և հաշվարկում են կանխատեսումը 10–15 օր հետո։
Օդերևութաբանական կենտրոնների սուպերհամակարգիչները աշխարհի ամենահզոր համակարգիչներից են։ ECMWF-ի մեքենան իրականացնում է քվադրիլիոնավոր գործողություններ վայրկյանում։ Ամբողջ ցիկլը՝ տվյալների հավաքագրումից մինչև պատրաստի կանխատեսում, պետք է տեղավորվի խիստ ժամանակային պատուհանում՝ մի քանի ժամում, քանի որ ուշացած կանխատեսումը կորցնում է իր արժեքը։ Սա ժամանակի դեմ մրցավազք է, որը կրկնվում է օրական չորս անգամ։

Անսամբլներ․ ազնիվ պատասխան՝ անազնիվ հարցին

Մթնոլորտը քաոսային համակարգ է, և սկզբնական պայմաններում նույնիսկ փոքր սխալը կարող է մի քանի օր անց բերել լրիվ այլ արդյունքի։ Օդերևութաբանները գտան նրբագեղ լուծում՝ մոդելը գործարկել ոչ թե մեկ, այլ տասնյակ անգամ՝ փոքր-ինչ փոփոխված սկզբնական պայմաններով։ Ստացվում է կանխատեսումների անսամբլ։ Եթե բոլոր անդամները համաձայն են՝ վստահությունը բարձր է։ Եթե տարաձայնություն կա՝ նշանակում է, որ մթնոլորտը գտնվում է անկայուն վիճակում, և կանխատեսումն ավելի քիչ հուսալի է։
Երբ հավելվածը ցույց է տալիս «անձրևի հավանականություն՝ 60%», այդ թիվը ստացվում է հենց անսամբլից․ տասը փորձարկումներից վեցում տարբեր սկզբնական պայմաններով մոդելը տվել է անձրև։ Էկրանի մեկ տոկոսի հետևում կանգնած են բազմաթիվ սուպերհամակարգչային հաշվարկներ։

Ինտերնետ․ շղթայի վերջին օղակը

Կանխատեսումը հաշվարկված է, սակայն այն պետք է հասնի ձեզ։ Մինչև 1990-ականները կանխատեսումները մարդկանց էին հասնում թերթերի, ռադիոյի և հեռուստատեսության միջոցով։ Ինտերնետի և բջջային ցանցերի զարգացումը փակեց շղթան։

Մոդելների արդյունքները օդերևութաբանական կենտրոնների սերվերներից փոխանցվում են գլոբալ ցանցով եղանակային տվյալների մատակարարներին, այնտեղից՝ API-ների միջոցով հավելվածների մշակողներին, իսկ հավելվածները կանխատեսումը ձեր էկրան են հասցնում բջջային կապով կամ Wi-Fi-ով։ Ինտերնետն ինքնին տասնամյակների աշխատանքի արդյունք է՝ Կլոդ Շենոնի տեղեկատվության տեսությունից (1948), ARPANET-ից (1969), TCP/IP արձանագրություններից (1983), Թիմ Բերներս-Լիի ստեղծած World Wide Web-ից (1991) մինչև շարժական ինտերնետ, որը եղանակի կանխատեսումը հասանելի դարձրեց ցանկացած վայրում՝ երեք վայրկյանում։

Չորս դար՝ երեք վայրկյանում

Այսպիսով, շղթան փակվեց։ Գալիլեյի ջերմաչափ-Տորիչելլիի բարոմետր-թերմոդինամիկայի օրենքներ- Նավիե-Ստոքսի հավասարումներ-հեռագիր-Բյերկնեսի գաղափար-Ռիչարդսոնի փորձ-ֆոն Նեյմանի համակարգիչ-TIROS արբանյակ-ռադիոզոնդեր և բույեր-տվյալների յուրացում-սուպերհամակարգիչ- անսամբլային կանխատեսում-ինտերնետ-սմարթֆոն։ Յուրաքանչյուր օղակ պահանջել է տասնամյակների աշխատանք, սխալներ, ձախողումներ և բեկումներ։ Յուրաքանչյուրը անհնար կլիներ առանց նախորդի։
Երբ հաջորդ անգամ էկրանին տեսնեք «+23°», հիշեք․ այդ փոքրիկ թվի հետևում կանգնած է ֆիզիկայի, մաթեմատիկայի, ինժեներիայի և միջազգային համագործակցության չորս հարյուր տարվա պատմություն։ Թերևս սա մարդկության գիտելիքի ամենատպավորիչ շղթաներից մեկն է, որի արդյունքը մենք օգտագործում ենք ամեն օր՝ հաճախ նույնիսկ չմտածելով դրա մասին։