29 يونيو 2023
نماذج الطقس هي محاكاة حاسوبية للغلاف الجوي لكوكب الأرض بغرض البحث والتنبؤ بأحوال الجو والطقس.
التنبؤ بالطقس أمر صعب. لإجراء تنبؤات دقيقة، يستخدم خبراء الأرصاد الجوية بيانات الطقس من الحاضر والماضي للتنبؤ بالحالة المستقبلية للغلاف الجوي وتأثيره على أنماط الطقس. ولكن ما هي بيانات الطقس اللازمة لإجراء تنبؤ دقيق؟ يجمع خبراء الأرصاد الجوية ملاحظات الطقس حول درجة الحرارة وضغط الهواء والرطوبة وهطول الأمطار وسرعة الرياح وغير ذلك الكثير، من محطات الطقس والأقمار الصناعية للأرصاد الجوية وبالونات الطقس في جميع أنحاء العالم. ومع استمرار تغير هذه الظروف الجوية بمرور الوقت، ينتج عن ذلك كمية هائلة من البيانات.
يتطلب تحويل هذه البيانات إلى توقعات جوية دقيقة نمذجة التفاعلات بين آلاف أو حتى ملايين المتغيرات التي هي في حالة تغير مستمر—وهو حساب يُعرف في الرياضيات باسم "معادلة تفاضلية هيدروديناميكية. هذه المعادلات الرياضية معقدة للغاية وتتضمن الكثير من البيانات بحيث يتم تشغيلها على أجهزة الكمبيوتر الفائقة.
يُطلق على التنبؤ بالطقس بناءً على هذه المعادلات اسم التنبؤ العددي بالطقس، وتُسمى برامج الحاسوب التي تُشغلها نماذج الطقس.
أحدث الأخبار والرؤى حول الذكاء الاصطناعي
تتوفر معارف وأخبار منسقة بمهارة حول الذكاء الاصطناعي والسحابة وغيرها في نشرة Think الإخبارية الأسبوعية.
نماذج الطقس هي محاكاة حاسوبية للغلاف الجوي.
الغلاف الجوي للأرض هو طبقة من الهواء يبلغ ارتفاعها حوالي ستين ميلاً، يتحرك فيها الهواء—وهو مائع—من مكان إلى آخر نتيجة لعمليات كيميائية وديناميكية حرارية وديناميكية موائع معقدة. من الناحية النظرية، يمكن حساب تدفقات الهواء هذه باستخدام قوانين الفيزياء والرياضيات—إذا توفرت بيانات كافية، وقوة حوسبة، ومعادلة يمكنها وصف التفاعل بين العناصر المختلفة بدقة.
هذه هي الأجزاء التكاملية الثلاثة لأي نموذج للتنبؤ بالطقس: بيانات الطقس، وقوة الحوسبة، ومعادلة رياضية تحاكي تفاعلات الظروف الجوية المختلفة في الغلاف الجوي.
لكي يتمكن برنامج حاسوبي من إخراج تنبؤات حول الحالة المستقبلية للغلاف الجوي، فإنه يحتاج أولاً إلى إدخال بيانات الطقس الحالية للمنطقة التي سيصفها النموذج. وعمومًا، تأتي نماذج الطقس في نوعين رئيسيين—النماذج المحلية، التي تركز على موقع محدد، والنماذج العالمية، التي تهدف إلى تقديم توقعات دقيقة للطقس في جميع أنحاء الكوكب.
يستخدم كلا النوعين من النماذج عملية مماثلة؛ الفرق هو النطاق. تُجرى الأرصاد الجوية باستخدام محطات الطقس، وبالونات الطقس، والعوامات، والرادار، والأقمار الصناعية للأرصاد الجوية وغيرها، ويُجمع بيانات عن الهطول المطري والعواصف الرعدية، وسرعة الرياح واتجاهها، ودرجة حرارة وضغط الهواء، وغير ذلك. وتسمى هذه البيانات الأولية، المأخوذة من لقطة زمنية واحدة، "الشروط الأولية" للنموذج. وتُحدَّث هذه البيانات الأولية بشكل دوري، في خطوات زمنية متكررة منتظمة.
تُصنف البيانات من هذه الشروط الأولية في شبكة - وهي مجموعة ثلاثية الأبعاد من النقاط التي تغطي منطقة النموذج وتمتد صعودًا الغلاف الجوي. نقاط الشبكة ليست هي النقاط التي تم فيها رصد الطقس، بل هي مجموعة من المواقع التي تم إنشاؤها بواسطة الحاسوب، وهي متساوية المسافات مكانيًا وتمتد في اتجاهات أفقية ورأسية. عند كل نقطة من نقاط الشبكة، يقوم برنامج الحاسوب بتشغيل نموذج لتوليد تنبؤات عددية لذلك الموقع، وتتكرر العملية لكل نقطة من نقاط الشبكة حتى يتم إجراء الحسابات للشبكة بأكملها.
من هذه الشروط الأولية، يمكن للنموذج بعد ذلك اتخاذ خطوات زمنية متزايدة للأمام لبدء التنبؤ بتدفقات الغلاف الجوي والأحوال الجوية التي قد تنتج.
يؤثر عدد نقاط الشبكة والمسافة بين كل نقطة شبكة على دقة نموذج التنبؤ: يُطلق على النموذج الذي يحتوي على عدد كبير من نقاط الشبكة اسم "عالي الدقة" ويتمتع بدقة محسّنة، ولكن الشبكات ذات الدقة الأعلى تتطلب أيضًا قوة حوسبة أكبر.1
حتى أبسط نماذج التنبؤ تستخدم معادلات رياضية معقدة، وكلما زادت البيانات التي يستخدمها النموذج، زادت قوة الحوسبة التي يتطلبها. أما نماذج التنبؤ الأكثر تطورًا ودقة في العالم—مثل المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) أو نظام التحديث السريع عالي الدقة (HRRR) الذي تستخدمه الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)—فهي تعمل على أجهزة كمبيوتر فائقة يمكنها إجراء 12 كوادريليون عملية حسابية في الثانية.2 ولكن النماذج الجوية الأبسط التي تحتوي على عدد أقل من نقاط البيانات تحتاج إلى طاقة حوسبة أقل، ولا تحتاج إلى تشغيلها على أجهزة كمبيوتر فائقة.3
الطقس هو ما يُعرف بنظام فوضوي؛ فهو ينطوي على الكثير من المتغيرات المترابطة، ويمكن أن تتضاعف الاختلافات الصغيرة في الظروف الأولية—على سبيل المثال، الفرق بين سرعة الرياح المقاسة بـ 4 أميال في الساعة مقابل 4.2 ميل في الساعة—بسرعة وتؤثر بشكل كبير على بقية النظام، مما يجعل سلوكياته صعبة التنبؤ بها بمرور الوقت.
نظرًا لعدد المتغيرات والمجاهيل المتضمنة في نظام الطقس، غالبًا ما يعتمد خبراء الأرصاد الجوية على ما يُعرف باسم "التنبؤ التجميعي". في التنبؤات التجميعية، يتم إجراء عمليات تشغيل نماذج متعددة، لكل منها معلمات مختلفة، لحساب أوجه عدم اليقين. يمكن استخدام المجموعة الكاملة من هذه التنبؤات—التجميع—لنمذجة نطاق الحالات المستقبلية المحتملة للغلاف الجوي وتقديم تنبؤ احتمالي للطقس المستقبلي.4
يستخدم خبراء الأرصاد الجوية العديد من النماذج المختلفة للتنبؤ بالطقس، وغالبًا ما يعتمد ذلك على ما يأملون في التنبؤ به تحديدًا. يقدم نموذج محلي يُجرى على منطقة معينة معلومات مختلفة جدًا عن نموذج عالمي يغطي الكرة الأرضية بأكملها. يتضمن كل نموذج طقس خيارات حول البيانات التي سيتم تضمينها، وما هي المعادلات الرياضية التي ستقدم أفضل محاكاة للظواهر الجوية، وكيفية تحديد أولويات أنواع التنبؤات الأكثر أهمية.
لا يمكن لأي نموذج التنبؤ بكل حدث طقسي بدقة عالية. بدلاً من ذلك، يتخذ خبراء الأرصاد الجوية خيارات حول ما يريدون التنبؤ به ويصممون النموذج ليكون ذا دقة عالية لهذا النوع من النتائج. نوع واحد من الدقة قد يأتي على حساب أنواع أخرى. على سبيل المثال، تُصمَّم النماذج للحصول على دقة عالية إما للتنبؤات قصيرة المدى (تصل إلى 3 أيام مقبلة)، أو التنبؤات متوسطة المدى (من 3 إلى 15 يومًا مقبلاً)، أو التنبؤات طويلة المدى (من 10 أيام إلى سنتين مقبلتين)، ويتطلب كل نوع منها خيارات مختلفة. قد يختار عالم الأرصاد الجوية الذي يبحث عن تنبؤات قصيرة المدى استخدام نموذج متوسط النطاق، والذي يتضمن بيانات الطقس التي تم جمعها من نقاط تصل إلى ارتفاع 1000 كيلومتر في الغلاف الجوي، لأن هذه البيانات متوسطة النطاق تنتج توقعات قصيرة المدى أكثر دقة. للحصول على تنبؤات بعيدة المدى أكثر موثوقية، قد يفضل خبير الأرصاد الجوية نموذجاً غير متوسطي النطاق—نموذجاً يستبعد ملاحظات الطقس من الغلاف الجوي على ارتفاعات عالية.
علماء الأرصاد الجوية يتطلعون دائمًا إلى تحسين نماذج الطقس الحالية وقد ينشئون نماذج حاسوبية جديدة لأبحاث الطقس والتنبؤ به. نظرًا لأن المعادلات الرياضية للنموذج تهدف إلى محاكاة الغلاف الجوي، يقوم خبراء الأرصاد الجوية باختبار وتعديل الخوارزميات لمعرفة أي منها ينتج تنبؤات جوية أكثر دقة. بعض هذه الصيغ مفتوحة المصدر وبعضها الآخر مملوك.
أفضل نموذجين عالميين معروفين هما نموذج النظام العالمي للتنبؤ (GFS) التابع لدائرة الأرصاد الجوية الوطنية ونموذج المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF)، والمعروفان بشكل أكثر شيوعًا باسم النموذج الأمريكي والنموذج الأوروبي.
يُحدّث نظام التنبؤ العالمي (GFS) أربع مرات في اليوم ويتوقع حتى ستة عشر يومًا. يقوم المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) بتحديث توقعاته مرتين فقط في اليوم وينتج تنبؤًا لمدة 10 أيام، ولكنه يتميز بدقة أعلى من نظام التنبؤ العالمي وقد أنتج، تاريخيًا، تنبؤات أكثر دقة.
نموذج تنبؤ آخر معروف جيدًا هو نموذج أمريكا الشمالية متوسط المقياس (NAM)، وهو نموذج إقليمي قصير المدى يغطي كامل أمريكا الشمالية وينتج توقعات لمدة 61 ساعة قادمة. يعتمد NAM على نموذج البحث والتنبؤ الجوي (WRF)، وهو نموذج تنبؤ مفتوح المصدر يشغل أيضًا نموذجين واسعي الاستخدام تديرهما الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA): نموذج التحديث السريع (RR أو RAP) ونموذج HRRR.
توجد نماذج طقس أخرى: نموذج المركز الكندي للأرصاد الجوية (CMC)، ونموذج مكتب الأرصاد الجوية في المملكة المتحدة، ونموذج هيئة الأرصاد الجوية الألمانية (DWD)، ونموذج مكتب الأرصاد الجوية الأسترالي (BoM)، وغيرها الكثير. تم تصميم كل نموذج مختلف لتقديم تنبؤات دقيقة تركز على أشياء مختلفة، وتتضمن بيانات متنوعة، وتحسب باستخدام معادلات رياضية متباينة لإنتاج أفضل نوع من الدقة المطلوبة. لكل منها نقاط قوته وحدوده الخاصة به.