In che modo i computer simulano e prevedono il tempo?

La previsione del tempo gioca da secoli un ruolo essenziale nel tempo libero e nelle attività economiche. Determina se puoi fare un picnic o se le navi possono prendere il mare in sicurezza.

Ma le previsioni del tempo non sono iniziate 40 anni fa con computer avanzati. Centinaia di anni fa, le persone usavano una varietà di metodi e calcoli manuali per prevedere il tempo, dall’osservazione del cielo per i segni rivelatori di una tempesta al riferimento ai vecchi bollettini meteorologici, ed erano abbastanza accurati.

Ma ora, le previsioni del tempo sono tutte digitalizzate, il che fa sorgere la domanda: come fanno i computer a prevedere il tempo?

L’informatica prima dei computer

Prima dei dispositivi di comunicazione ad alta velocità, come il telegrafo e il telefono, era quasi impossibile ottenere dati meteorologici aggiornati per altre località. La previsione del tempo era qualcosa a cui la gente comune prendeva parte a seconda di ciò che poteva vedere e sentire.

La particolare ombra del cielo, i livelli di umidità e la pressione dell’aria – che potevi sentire nelle tue articolazioni – dove tutte le persone dovevano prevedere le condizioni meteorologiche del giorno successivo. Ma erano tutt’altro che accurati, pieni di superstizioni e non potevano prevedere più di un giorno o due nel futuro.

Alla fine del 1800 e all’inizio del 1900, la previsione del tempo divenne un tipo di scienza più serio. Le reti di servizi meteorologici sono state in grado di comunicare e scambiare dati meteorologici su lunghe distanze.

Il tempo non nasce dal nulla. È influenzato dalle condizioni delle zone limitrofe. Conoscere le condizioni meteorologiche nelle città vicine ci consente di prevedere il tipo di tempo che è probabile che si verifichi.

Prima dei computer digitali, i meteorologi tracciavano manualmente i dati meteorologici sulle mappe. Quindi analizzerebbero i dati di un lungo periodo di tempo, alla ricerca di tendenze e modelli. Ma anche prima dei computer, i meteorologi disponevano di strumenti per raccogliere dati atmosferici. Ad esempio, erano soliti far volare palloni meteorologici per ottenere campioni dall’alto nell’atmosfera.

La nascita dell’effetto farfalla

Il termine “effetto farfalla” è stato coniato per la prima volta negli anni ’60 dal meteorologo Edward Lorenz, anche se altri avevano riflettuto sull’argomento in precedenza.

Lorenz ha usato il termine per descrivere la sensibilità dei sistemi meteorologici. Durante il ricalcolo delle previsioni meteorologiche precedenti, Lorenz non è stato l’unico meteorologo ad aver notato qualcosa di strano. Anche il più piccolo cambiamento nei numeri ha portato a una previsione meteorologica completamente diversa.

Il cambiamento nei numeri era così minuscolo che lo paragonò alle ali svolazzanti di una farfalla da una parte del mondo che scatena una violenta tempesta dall’altra.

I computer sono solo una parte dell’equazione

È nel nome: calcolare significa calcolare. “Computer” una volta era un lavoro in cui le persone esperte di matematica si sedevano e risolvevano centinaia di problemi di matematica al giorno. Invece, i computer moderni automatizzano il processo con macchine digitali.

Per evitare il più possibile di cadere nell’effetto burro, i moderni modelli di previsione meteorologica calcolano cifre e producono risultati con un alto grado di precisione. Ma anche questo non è abbastanza per battere il tempo.

Gli attuali modelli di previsioni del tempo possono prevedere il tempo per cinque giorni futuri con una precisione del 90%. La precisione diminuisce notevolmente in seguito. Raggiunge l’80 percento per le previsioni di sette giorni e circa il 50 percento per qualsiasi altra cosa in futuro.

Come i computer predicono il tempo

Un modello al computer è un insieme di istruzioni che il computer segue per creare una simulazione di una caratteristica o di un fenomeno del mondo reale. I moderni modelli di previsione del tempo sono software che analizzano i dati meteorologici per prevedere la caratteristica. Funzionano allo stesso modo in cui i computer prevedono l’aumento e la caduta periodici del mercato azionario.

Per sapere cosa accadrà in futuro, devi sapere cosa è successo prima e cosa sta succedendo adesso. Le previsioni del tempo non iniziano con i computer, ma con i dati. I meteorologi raccolgono dati utilizzando una varietà di strumenti in tutto il mondo contemporaneamente.

Usano banderuole per misurare la velocità del vento, termometri per le temperature, barometri per la pressione e igrometri per l’umidità.

Tutti questi dati vengono quindi implementati in vari modelli informatici per analizzare e confrontare con dati e calcoli precedenti. Ma non esiste un unico modello per prevedere il tempo. Diversi modelli si concentrano su aree specifiche del sistema meteorologico e lavorano in tandem con altri modelli per creare un quadro completo.

Modelli climatici

I modelli climatici sono principalmente responsabili della previsione dei cambiamenti nel clima della terra o di una regione. Il clima è la condizione meteorologica media in generale e non le condizioni meteorologiche per un giorno o due.

Modelli in mesoscala

I modelli computerizzati su mesoscala analizzano le aree su una scala di circa 20 km. Analizzano solo i dati provenienti da aree relativamente vicine e li usano per prevedere il tempo locale per i prossimi giorni.

Modelli statistici

I modelli statistici si concentrano maggiormente sull’analisi dei dati piuttosto che sulla simulazione meteorologica. Guardano i dati di decenni fa e prevedono il tempo. Anche le temperature medie e le condizioni meteorologiche nello stesso luogo e luogo contribuiscono alla previsione.

Una simulazione di atmosfera a tutto tondo

I dati raccolti utilizzando gli strumenti meteorologici insieme ai vari modelli di previsione meteorologica vengono implementati in una simulazione digitale dell’atmosfera terrestre. Il tempo viene accelerato nella simulazione per rivelare le condizioni meteorologiche approssimative nei prossimi giorni su scala globale.

Ma simulare l’intera atmosfera terrestre non è facile. Per ottenere previsioni frequenti e accurate, i centri di meteorologia utilizzano i supercomputer invece di quelli normali.

Questi sono idealmente in grado di eseguire oltre 14.000 trilioni di calcoli al secondo. Ma anche dopo i risultati sono ancora grezzi. I risultati vengono quindi esaminati da un team di meteorologi altamente qualificati per interpretare e confermare con una precisione del 90%, ma mai del 100%.

La simulazione dovrebbe adattarsi alla dinamica terrestre oltre alla fisica atmosferica. Gli scienziati usano equazioni fisiche per simulare i processi atmosferici e come interagiscono le diverse condizioni meteorologiche. La simulazione nel suo insieme tiene conto anche della rotazione della terra e di come spinge le condizioni meteorologiche in tutto il mondo.

Il futuro delle previsioni del tempo

Le previsioni del tempo sono passate dalla previsione a malapena del tempo un paio di giorni nel futuro alla previsione di un intero debole con elevata precisione in circa 100 anni. Ma ci sono ancora molti margini di miglioramento.

Per una migliore previsione, i meteorologi hanno bisogno di tre cose; una comprensione più profonda dell’atmosfera terrestre, dati atmosferici più accurati e frequenti e potenti computer in grado di analizzarli e gestirli in tempo. Tutto ciò è a portata di mano nel prossimo futuro.