Dokładna pogoda

Telewizyjny meteorolog Paul Douglas wspomina dzień z 1997 roku, kiedy to miał inspirację, która doprowadziła do powstania jego firmy. Przewidział na antenie ulewę przechodzącą przez Bliźniacze Miasta w Minnesocie, po czym został skonfrontowany z natłokiem e-maili od lokalnych widzów, którzy chcieli wiedzieć, jak burza może wpłynąć na ich plany na ten dzień. To było takie frustrujące, wspomina. O której w moim mieście zacznie padać?”. Jadę na północ; czy pokonam deszcz?”. Mój ślub jest dziś po południu; czy spadnie deszcz?”

Douglas był bezradny, by odpowiedzieć na takie pytania. Jego prognoza opierała się w dużej mierze na informacjach z National Weather Service, które przewidują warunki dla obszaru o wymiarach 12 na 12 kilometrów i których prognozy nie mają nic do powiedzenia na temat zmian pogody na tym obszarze. A nawet gdyby Douglas mógł tworzyć takie lokalne prognozy, nie było możliwości skutecznego rozpowszechniania spersonalizowanych informacji. I wtedy go uderzyło: może mógłby dać każdemu spersonalizowany raport pogodowy. Dwa lata później, w 1999 roku, założył firmę Digital Cyclone z siedzibą w Minneapolis, która przewiduje zdarzenia pogodowe na obszarach o wymiarach sześć kilometrów na sześć kilometrów i oferuje informacje przez telefony komórkowe.

Ta historia była częścią naszego numeru z czerwca 2003 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Digital Cyclone to tylko jedna z kilku firm, które przenoszą prognozowanie pogody na nowy poziom użyteczności i precyzji. Na przykład Weather Channel w Atlancie w stanie Georgia oferuje teraz mapy o rozdzielczości ośmiu kilometrów i usługę ostrzegania dla komputerów stacjonarnych. AccuWeather w State College w stanie Pensylwania generuje mapy pogodowe o rozdzielczości jednego kilometra, które są dostępne w osobistych asystentach cyfrowych i telefonach z dostępem do Internetu. Karmione dostępnością ogromnych zasobów taniej mocy komputerowej, nowymi technikami matematycznymi do precyzyjnego dostrajania modeli pogodowych i zaawansowanymi technologicznie systemami obserwacji, firmy te wykorzystują bardzo zaniedbany aspekt prognozowania pogody, który Douglas nazywa krótką grą: to jest doradzanie ludzi o szczególnych warunkach pogodowych w ich poszczególnych dzielnicach lub miastach, a nie tylko w ich regionach.

Przejście na takie prognozy o wyższej rozdzielczości może przełożyć się na ogromne oszczędności. Według Johna Duttona, emerytowanego dziekana College of Earth and Mineral Sciences Pennsylvania State University, zdarzenia pogodowe mają wpływ na ponad 3 biliony dolarów rocznej gospodarki kraju. Rolnicy, pracownicy budowlani, ekipy odśnieżające, konserwatorzy energii, dyspozytorzy kolejowi i kierowcy ciężarówek polegają na dokładnych i precyzyjnych prognozach, aby skutecznie zarządzać swoim czasem i zasobami. Nieoczekiwana chłodna masa powietrza w letni dzień może narazić firmę energetyczną na miliony dolarów niewykorzystanej energii elektrycznej. Zmiana prędkości wiatru może zmienić decyzję rolnika dotyczącą rozpylania nawozów, co może rozproszyć, a nawet zniszczyć sąsiednie uprawy przy wietrze przekraczającym 11 kilometrów na godzinę. Niewielka różnica temperatur może decydować o tym, czy ekipa odśnieżająca położy piasek czy sól. Sól jest na ogół skuteczna tylko powyżej -7 C, a błędna decyzja o jej użyciu może nie tylko nieskutecznie zmniejszać lód, ale także marnować tysiące dolarów pieniędzy podatników.

Czy to dotyczy pracowników, czy matek piłkarskich, istnieje nienasycone zapotrzebowanie na informacje o pogodzie, mówi Douglas. Dostępnych jest już wiele niezwykle przydatnych informacji, ale istnieje realna możliwość ich filtrowania, uaktualniania, uszczegóławiania i dokładności oraz dostarczania w bardziej użytecznej formie.

Spersonalizowane prognozy

Od pięćdziesięciu lat prognozowanie pogody w Stanach Zjednoczonych opiera się na modelach, które działają w oparciu o najnowszą technologię komputerową w National Weather Service National Center for Environmental Prediction w Camp Springs, MD. Modele wykorzystują ponad 100 milionów codziennych pomiarów temperatury, wilgotności, ciśnienia powietrza, prędkości i kierunku wiatru, gromadzonych z różnych miejsc na całym świecie. Na podstawie tych danych co sześć godzin obliczane są prognozy w skali globalnej, krajowej i regionalnej dla obszarów o wielkości zaledwie 12 km na 12 km.

Rzeczywista pogoda może się oczywiście różnić na dystansach tak krótkich, jak kilka kilometrów, mówi Craig Burfeind, meteorolog, który wraz z Douglasem założył Digital Cyclone. Zimowe burze mogą mieć dokładną linię, a kilka mil po obu stronach tej linii może oznaczać różnicę między deszczem a sześcioma calami śniegu. Burfeind zauważa, że ​​pewnego dnia zeszłej zimy temperatury na południowych przedmieściach Minneapolis osiągnęły niskie 20 stopni Celsjusza (70 stopni F), podczas gdy na północnych przedmieściach utrzymywała się temperatura w pobliżu mrozu, co skutkowało różnicami temperatur wynoszącymi co najmniej 6 stopni Celsjusza na przestrzeni sześciu kilometrów. A Minneapolis nie znajduje się nawet w pobliżu dużego obiektu geologicznego, takiego jak góra lub dolina, który może wpływać na prędkość i kierunek wiatru, wilgotność i temperaturę oraz tworzyć mierzalne różnice na niewielkim obszarze. Nawet spory zbiornik wodny może tworzyć ostre kontrasty temperaturowe, które przyczyniają się do powstawania śniegu z efektem jeziora, gęstej nadmorskiej mgły lub nieoczekiwanych burz z piorunami.

Służba Pogodowa z przyjemnością przedstawiłaby prognozy dla każdego miejsca, gdyby było to praktyczne. Jednak zwiększenie rozdzielczości siatki prognozy do, powiedzmy, sześciu kilometrów na sześć kilometrów, w rzeczywistości wymaga ośmiu razy więcej obliczeń. Naszym następnym krokiem w tej dziedzinie jest 10 kilometrów, które nie będą dostępne do końca 2004 roku, mówi Lauren Morone, oficer operacyjny w National Center for Environmental Prediction.

Ale jest inny sposób. W latach 90. naukowcy z Pennsylvania State University zaczęli włączać surowe dane zebrane z National Weather Service do własnych modeli opartych na komputerach PC. Prowadzenie modelu było kiedyś dużą, scentralizowaną operacją, taką jak Projekt Manhattan, mówi klimatolog z Penn State Paul Knight. W przeciwieństwie do tego, mówi, nowa generacja modeli PC wykonuje mniej obliczeń dla mniejszego obszaru globu i dlatego jest w stanie generować lokalne prognozy pogody o wysokiej rozdzielczości, które można stosunkowo szybko opracować.

Na przykład Digital Cyclone wykorzystuje sukces Penn State. Firma dostarcza prognozy dla wielu aglomeracji USA, używając jednego komputera do opracowania prognozy pogody dla konkretnego miasta. Prognozy są dwa razy częstsze niż te pochodzące z National Weather Service i obejmują mniejszy obszar; to znaczy, że kursują co trzy godziny i mają rozdzielczość sześciu kilometrów w promieniu około 120 kilometrów od miasta.

Klienci Digital Cyclone mogą uzyskać dostęp do informacji ze strony internetowej. Wprowadzając swoje lokalizacje, mogą uzyskać mapy pogodowe wyśrodkowane na ich miasta, wraz z obrazami radarowymi i przewidywanymi śladami burz. Ale prawdziwa wartość usługi Digital Cyclone, mówi Douglas, polega na tym, że ludzie mogą pozyskiwać informacje ze swoich telefonów komórkowych z dostępem do Internetu. Jeszcze w tym roku te same telefony będą emitować alerty dźwiękowe wysyłane przez firmę i dostosowane do potrzeb ludzi. A w czasach, gdy coraz więcej telefonów komórkowych jest wyposażonych w oprogramowanie Global Positioning Satellite i odbiorniki sygnału, które dostarczają informacji o ich położeniu geograficznym, Digital Cyclone opracowuje oprogramowanie – które ma być dostępne w ciągu najbliższych kilku lat – które będzie wykorzystywać dane GPS do oferują mapy z prognozą pogody w wysokiej rozdzielczości automatycznie wyśrodkowane na lokalizacji telefonu.

Na froncie biznesowym

Posiadanie spersonalizowanych alertów przesyłanych do urządzenia przenośnego może wydawać się najlepszym rozwiązaniem w automatyzacji świadomości pogodowej. Jednak firmy potrzebują również szczegółowych prognoz, a niektórzy dostawcy usług meteorologicznych już integrują informacje bezpośrednio z komputerami swoich dużych klientów przemysłowych. Liderem w tej nowej dziedzinie operacji wykorzystujących warunki pogodowe jest Meteorlogix w Minneapolis. Firma wykorzystuje komunikację satelitarną do przekazywania dostosowanych aktualizacji pogodowych bezpośrednio do operacyjnego systemu komputerowego klienta; wstępnie zaprogramowany do pracy z alertami Meteorlogix, system komputerowy rozpoznaje, na które operacje ma wpływ pogoda, a następnie podejmuje odpowiednie działania.

Deszcz wyczuwający

Ponieważ komputery stają się szybsze i tańsze, a instrumenty do obserwacji pogody poprawiają się, naukowcy obiecują prognozy o jeszcze wyższej rozdzielczości. Niektórzy przewidują, że za dwa lub trzy lata rozdzielczość spadnie do jednego kilometra. Jednak dotarcie tam będzie ciężką bitwą. Pierwszym problemem jest ogromny wzrost mocy obliczeniowej niezbędnej do uwzględnienia dodatkowych zmiennych pogody na tak małą skalę. Topografia lokalnego terenu, obecność zbiorników wodnych, roślinność, formowanie się chmur – to wszystko trzeba wziąć pod uwagę – mówi Joel Myers, założyciel i prezes AccuWeather. W rzeczywistości zejście do jednego kilometra z czterech kilometrów wymaga około 16-krotności siły mięśnia łamiącego liczby.

Pomimo wysokiej ceny obliczeniowej Lloyd Treinish i jego koledzy z ośrodka badawczego IBM Yorktown Heights w stanie Nowy Jork pracują nad prognozami pogody o rozdzielczości jednego kilometra. Tak zwany projekt Deep Thunder jest częścią większego wysiłku IBM znanego jako Deep Computing, który zajmuje się analizowaniem dużych ilości danych i rozwiązywaniem złożonych problemów obliczeniowych. Podobnie jak wiele firm zajmujących się prognozowaniem pogody w wysokiej rozdzielczości, IBM przewiduje możliwości biznesowe w zakresie dostarczania lepszych modeli prognozowania firmom wrażliwym na warunki pogodowe. Treinish i jego zespół zmodyfikowali standardowy model regionalny, opracowany na Uniwersytecie Stanowym Kolorado i dostosowali go do terenu, przepływu wiatru i wzorców wilgotności powodowanych przez oceany w rejonie Nowego Jorku. Korzystają z danych otrzymanych z National Weather Service, a następnie weryfikują swoje prognozy za pomocą pobliskich stacji meteorologicznych – nawet jednej zainstalowanej w Fishkill w stanie Nowy Jork. Jeszcze w tym roku IBM zainstaluje pięć kolejnych stacji w swoich zakładach w południowo-wschodnim Nowym Jorku, aby pomóc w dalszym dopracowaniu modeli. Deep Thunder generuje zaktualizowaną prognozę 24-godzinną dwa do czterech razy dziennie, co wymaga prawie dwóch godzin czasu komputera na prognozę.

Zmodyfikowany model kilkakrotnie dowiódł swojej wartości — na przykład, gdy rozpoznał powagę zamieci z lutego 2003 roku na około dziewięć godzin przed serwisem pogodowym. Treinish przypisuje dokładność modelu jego wysokiej rozdzielczości, która oprócz zapewniania bardziej szczegółowego wglądu w lokalną pogodę często prowadzi do lepszych prognoz dla całego regionu. Badając fizykę kryjącą się za zdarzeniami pogodowymi na mniejszą skalę, można uzyskać lepszy obraz tego, co dzieje się z zdarzeniami na większą skalę, takimi jak burze, mówi.

Treinish mówi nawet o zmniejszeniu rozdzielczości do 500 metrów w przyszłości, choć zwraca uwagę, że wymagałoby to modelowania turbulencji wiatru wokół wysokich budynków Nowego Jorku – i wymagałoby to około 100 razy większej liczby obliczeń. Ale to nie jest niespotykany wzrost mocy obliczeniowej, jeśli chcesz poczekać kilka lat, mówi.

Tak dokładne prognozy pogody o wysokiej rozdzielczości zależą od modeli, które są regularnie rekalibrowane przez porównywanie ich przewidywań z rzeczywiście obserwowaną pogodą. Jednak próba stwierdzenia, czy prognozy się poprawiają, jest trudniejsza, niż się wydaje, ponieważ różnice mogą być subtelne i skomplikowane: być może prognozy prędkości wiatru stają się nieco dokładniejsze, a prognozy temperatury nieco gorsze. David Stensrud z National Oceanic and Atmospheric Administration’s Severe Storm Laboratory w Norman, OK, zauważa, że ​​ulepszanie modeli postępuje powoli. Te modele są tak skomplikowane, że jeśli potrafisz rozwiązać jeden problem, możesz łatwo wywołać inny, mówi Stensrud. Aby to sprawdzić, trzeba przetestować nowy model w dużej liczbie przypadków, a to sprawia, że ​​jest to ogromny, pracochłonny wysiłek.

I oczywiście model prognostyczny jest tak dobry, jak narzędzia dostarczające mu dane. W końcu meteorolodzy mogą uzyskać dostęp do bardzo szczegółowych danych o pogodzie z rozległych sieci czujników oddalonych od siebie o kilkadziesiąt metrów w wielu częściach kraju. Grupa kierowana przez Deborah Estrin, informatyk i dyrektor Center for Embedded Networked Sensing na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, już osadza bezprzewodowe sieci czujników zaprojektowane do monitorowania danych mikroklimatycznych, w tym ostatecznie poziomów dwutlenku węgla, w okolicach niewielkich płaty drzew i roślin. „Chcemy zbadać związek między monitorowaniem pogody w skali regionalnej i mikroskali” – mówi.

Gromadzenie tak konkretnych danych może być w naszej przyszłości, ale czy jest to praktyczne? Wydawanie prognoz na poziomie bloków miejskich zdecydowanie sprawia, że ​​wydaje się, że są one bardziej precyzyjne, mówi Craig Edwards, główny meteorolog w biurze National Weather Service w Minneapolis. Ale prognozy dla jednego bloku byłyby prawdopodobnie takie same jak dla innych bloków. Istnieje również kompromis między rozdzielczością a tym, jak daleko w przyszłości model może dokonywać dokładnych prognoz, mówi Young, ze względu na to, jak szybko zmieniają się zjawiska pogodowe na małą skalę. – Dzisiejsze prognozy w wysokiej rozdzielczości są przydatne przez około jeden dzień – mówi. Szybko zmierzamy do rozwiązań, które nie dadzą ci niczego poza sześć godzin.

Niezależnie od użyteczności nowej technologii, meteorolodzy będą mogli pochwalić się jej większą liczbą w swoich prognozach, gdy opinia publiczna oswoi się z żargonem pogodowym i mapami. Według firmy AccuWeather Myers, prognoza pogody IQ społeczeństwa ogromnie wzrosła w ciągu ostatnich 10 lat. Zamiast mówić, że istnieje szansa na deszcz dzisiaj, możemy powiedzieć, że istnieje 20-procentowa szansa na deszcz między 10:00 a południem, 40-procentowa szansa między południem a 14:00, a następnie 20-procentowa szansa. To rodzaj informacji, których możesz użyć, aby zaplanować grę w golfa.

Inne w prognozowaniu w wysokiej rozdzielczości
SPÓŁKA	ROZDZIELCZOŚĆ SIATKI	SERWIS
Konsultacja Meteo (Wageningen, Holandia)	Specyficzne dla miejsca, na podstawie lokalizacji stacji pogodowych	Mapy pogodowe oraz obrazy satelitarne i radarowe dostarczane do telefonów komórkowych z dostępem do Internetu
MojaPogoda (Madison, WI)	110 metrów	Prognozy wiadomości tekstowych wysyłane na pagery alfanumeryczne i telefony komórkowe
Konwergencja AWS Technologie (Gaithersburg, MD)	Specyficzne dla witryny, oparte na lokalizacji zastrzeżonych stacji pogodowych	Aplikacja internetowa dostarczająca prognozy dla klientów z branży energetycznej
Usługi pogodowe Międzynarodowy (Billerica, MA)	Osiem do 10 kilometrów; prognozy punktowe	Mapy pogodowe oraz obrazy satelitarne i radarowe dostarczane osobom pracującym w branży medialnej, energetycznej, morskiej i lotniczej (piloci mogą odbierać dane w locie za pomocą osobistych asystentów cyfrowych)

ukryć