У цій публікації блогу ми розглянемо фундаментальні причини складності довгострокового прогнозування клімату, включаючи вплив океану, обмеження спостережень та теорію хаосу.

Чому довгострокові кліматичні прогнози такі складні?

Ми живемо в епоху, коли ми чутливі до погоди. Інформація про погоду тісно пов'язана з нашим життям, незалежно від того, чи плануємо ми відпустки чи події, вирішуємо, коли садити врожай, чи готуємося до стихійних лих. Зокрема, сезонні погодні умови стали більш нерегулярними через зміну клімату в останні роки, що призвело до зростання інтересу до довгострокових кліматичних прогнозів. Однак насправді довгострокове прогнозування клімату залишається дуже складним завданням. То чому ж довгострокові кліматичні прогнози менш точні, ніж короткострокові? Давайте детальніше розглянемо причини.

Нерівномірний сезонний клімат та обмеження прогнозування

Щоліта, залежно від року, бувають періоди, коли трапляються екстремальні хвилі спеки, і навпаки, бувають періоди, коли температура нижча за норму, що призводить до «прохолодного літа». Те саме стосується і зими. Деякі роки надзвичайно холодні з сильними снігопадами, тоді як інші роки відносно теплі з невеликою кількістю снігу. Сезонний клімат сильно змінюється з року в рік, і дуже важко передбачити такі коливання заздалегідь.
Фактично, короткострокові прогнози погоди на кілька днів є відносно точними, але точність різко падає, коли період прогнозування перевищує місяць. Чому це так? Фундаментальна причина полягає в тому, що кліматичні системи є складними та включають різні фактори. Зокрема, вплив океану є однією з найважливіших змінних у довгостроковому прогнозуванні клімату.

Вплив океану на клімат та складність прогнозування температури поверхні моря

Довгострокові зміни клімату значною мірою залежать від змін температури океану, особливо морської води. Океан — це величезний резервуар, який зберігає та передає теплову енергію від Землі. Морська вода має набагато більшу теплоємність, ніж суша, і може утримувати приблизно в 400 разів більше енергії, ніж атмосфера.
Наприклад, Північна Європа перебуває під впливом Північноатлантичної течії, через що середня температура значно вища, ніж в інших регіонах на тій самій широті, а добові та річні коливання температур менші. Це типовий приклад того, як океанічні течії суттєво впливають на клімат.
Таким чином, стан океану відіграє вирішальну роль у зміні клімату, ніж атмосфера, і чим довший період прогнозування, тим важливіше точно зрозуміти стан океану. Однак проблема полягає в тому, що надзвичайно важко передбачити температуру морської води, особливо температуру поверхні моря. Температура поверхні визначається океанічними течіями, які є надзвичайно складними та нерегулярними.
У океанічних течіях беруть участь різні природні фактори з різними циклами, а деякі фактори мають тривалі цикли тривалістю кілька десятиліть або навіть більше 100 років. Ці фактори взаємодіють один з одним і викликають синергетичний або протилежний ефект, що ще більше посилює нерівномірність океанічних течій. В результаті просторовий розподіл температури морської води дуже важко передбачити, що призводить до невизначеності в довгострокових кліматичних прогнозах.

Технічні та економічні обмеження спостереження за океаном

Спостереження за океаном пов'язане зі значними технічними та економічними обмеженнями. На відміну від атмосфери, морська вода поглинає майже всі електромагнітні хвилі, що ускладнює її дистанційне виявлення за допомогою звичайного обладнання для спостереження за атмосферою. Прилади для спостереження за погодою, такі як радіозонди, корисні в атмосфері, але практично непридатні для використання в океані.
Зрештою, для того, щоб зрозуміти стан океану, необхідно безпосередньо вирушати на місце за допомогою суден для вимірювання підводної температури та океанічних течій, що є трудомістким та дорогим процесом. Через ці обмеження бракує ефективних даних про розподіл підводної температури, які можна було б застосувати до реальних моделей прогнозування клімату. Іншими словами, хоча важливі дані існують, існують практичні обмеження для їх повного використання.

Нерозуміння взаємодії океану та атмосфери

Ще одним важливим фактором, що сприяє низькій точності прогнозів, є брак наукового розуміння механізмів взаємодії між океаном та атмосферою. Просторові відмінності в температурі поверхні моря створюють вітри, які, у свою чергу, формують океанічні течії та змінюють розподіл температури поверхні моря. Цей цикл є причинно-наслідковою взаємодією, в якій кожен фактор впливає на інший.
Однак, надзвичайно важко детально зрозуміти цей механізм та змоделювати його кількісно. Наприклад, у випадку Ель-Ніньйо, яке спричиняє аномальну погоду по всьому світу, ми ще не до кінця розуміємо, як взаємодія між океанічними течіями та вітром викликає це явище. Ця нерозуміння зрештою дуже ускладнює прогнозування того, коли Ель-Ніньйо відбудеться.

Хаотична природа кліматичних систем

Кліматичні системи мають хаотичну природу. Хаос — це явище, при якому незначні відмінності в початкових умовах непередбачувано збільшуються з часом, призводячи до абсолютно різних результатів. Іншими словами, два стани, які спочатку здаються майже однаковими, можуть з часом призвести до надзвичайно різних результатів.
Через таку хаотичну природу навіть найточніші моделі прогнозування не можуть повністю усунути невизначеність у довгострокових прогнозах. Дані спостережень, що використовуються як вхідні дані для кліматичних моделей, неминуче містять помилки, і зі збільшенням прогнозного періоду ці помилки наростають, призводячи до результатів, які повністю відрізняються від реальності.

Висновок: Зусилля щодо подолання обмежень довгострокового прогнозування клімату

Як ми бачили, складність довгострокового прогнозування клімату не можна пояснити однією технічною проблемою. Різні фактори взаємодіють складним чином, включаючи теплоємність океанів, нерівномірність океанічних течій, обмеження спостережень за температурою моря, складну взаємодію між океанами та атмосферою, а також хаотичну природу самої кліматичної системи.
Однак це не означає, що нам слід відмовлятися від довгострокового прогнозування клімату. Останнім часом швидкий розвиток супутникових технологій, безпілотного підводного дослідницького обладнання, кліматичного моделювання на основі великих даних та технології прогнозування на основі штучного інтелекту поступово долає ці обмеження. Однак, ще багато чого потрібно зробити. Для підвищення точності прогнозування нам потрібно накопичити більше даних спостережень, розробити складніші моделі та, перш за все, отримати фундаментальне розуміння кліматичної системи.
Клімат — це не просто питання погоди; це важливе питання, безпосередньо пов'язане з виживанням людства. Дослідження з метою підвищення точності довгострокових кліматичних прогнозів повинні продовжуватися, і для досягнення цієї мети терміново необхідні науково-технічні інвестиції та міжнародна співпраця.