Христо Чипилски и алгоритъмът на времето

Още: Любов Маринкова и раждането на звездите

Още: Александър Костов и войната на инструментите

Как всъщност се прави прогнозата за времето? И с какви сложни алгоритми работят синоптиците, за да определят какво ни очаква?

Д-р Христо Чипилски е метеоролог, получил магистърска степен по специалността си в Англия и после докторска в САЩ. Изучава с интерес най-големите новости и пробиви в света на синоптиците. С него ще говорим за всичко онова, което става "зад кадър" при прогнозирането на времето. Ето какво сподели той в рубриката ни "Човекът от бъдещето". 

Още: Николай Дунев и картите, които разказват историята

Още: Явор Йорданов и пътят към златните астро медали

Д-р Чипилски, как възникна интересът ви метеорологията? Как ви стана интересна работата на един синоптик? 

Още като дете бях запленен от времето в моя роден град Бургас. Поддържах автоматична метеорологична станция на терасата в семейния ни апартамент и всекидневно записвах стойностите на температурата, влажността, облачността и 24-часовата сума на валежите. А през гимназиалните си години станах и активен участник в най-популярният форум по метеорология в България - stringmeteo.com. Именно там се засили и интересът ми към физическото обяснение на случващите се метеорологични явления. С нетърпение четях коментарите на по-опитните участници във форума и представях собственото си мнение по най-интересните теми. На този етап вече бях с ясното съзнание, че искам да се занимавам с метеорология в бъдеще, и затова наблегнах на своята подготовка по ключови предмети като математика и физика. Усилията ми бяха възнаградени, след като ме приеха в ускорената магистърска програма по метеорология на University of Reading в Англия. Изборът на тази инстутиция не беше никак случаен. Департаментът по метеорология на този университет се намира в непосредствена близост до Европейският център по средносрочни прогнози за времето (ECMWF), в който се помещава най-прецизният глобален модел в света. Прогнозите за времето в Националния иститут по метеорология и хидрология (НИМХ) се правят до голяма степен на базата на информация, предоставена от този център.

Били сте научен асистент сте в националния център по метеорология в САЩ, а в момента реализирате самостоятелна изследователска дейност като постдокторант. Как стигнахте до Щатите, какъв бе “маршрутът ви”?

Още: Венелин Тодоров и чашата на науката

Още: Стоян Везенков и тайните на човешкия мозък

През една от четирите години от своето обучение в Англия участвах в обменна програма с University of Oklahoma в САЩ, където имах удоволствието да се запозная със страхотни изследватели и преподаватели. Виждайки огромният ми интерес в областта на численото моделиране, двама от професорите ми предложиха да запиша докторантура с тях след като завъша обучението си в Рединг. Имах страхотната възможност да работя в Националния център по метеорология на САЩ (National Weather Center), където изследвах влиянието на нов тип инструменти (наземни сондажи от дистанционен тип) върху точността на краткосрочните прогнози за времето.

През юли 2021 година защитих докторантския си труд и започнах нов етап от професионалното си развитие. Заедно с 11 други колеги получих субсидия, даваща ми невероятната възможност да развивам самостоятена изследователска дейност в Националния център по атмосферни проучвания (National Center for Atmospheric Research) в САЩ. Сегашната ми работа има силен теоритичен оттенък и се фокусира върху създаването на иновативни алогоритми, които комбинират традиционни методи за асимилация на данни с новости от областта на машинното инжинерство.

Какво правят модерните алгоритми, за да дадат голяма прецизност при прогнозирането на времето. Как се правят въобще прогнозите за времето в детайл?

Прогнозирането на времето е дълъг процес. Започва със събирането на данни за атмосферата, както и някои други компоненти от системата Земя (океани, почви, ледена покривка). Впоследствие тази информация се обработва с помощта на сложни математически алгоритми, които смятат началните условия, нужни за изчисляване на бъдещото развитие на атмосферата. Но защо са ни нужни тези начални условия?

През началото на 20-ти век американският метеролог Клийвланд Аби и норвежкият физик Вилхелм Бьоркнес стигат до извода, че атмосферните процеси могат да бъдат описани посредством частни диференциални уравнения (ЧДУ-та). Тяхното решение зависи от началните стойности на зависимите променливи. За съжаление обаче все още не е открит метод, който да позволи точното решение на тези уравнения. Затова центровете за прогнозиране на времето се осланят на числени схеми, които ни дават само приблизителна идея за техния характер.

След като данните от техните моделите пристигнат в метеорологичните служби по света, идва ред на синоптиците. Те синтезират цялата тази информация и изготвят прогноза за съответния регион. Синоптиците използват всички налични данни и своите теоретични познания да направят корекции по суровите моделни данни. Този процес е от изключително голямо значение, защото приблизителният характер на числените решения неизбежно води до грешки, които се натрупват с напредване на времето. Но ето, че стигаме и до последния етап от изготвянето на една прогноза: след като синоптиците приключат със своя анализ, крайният продукт се разпространява по медиите, така че всеки един от нас може да се осведоми за времето през следващите дни.

Кога всъщност една прогноза за времето дава “грешка”? Какво се случва по веригата от изчисления, което обикновено е останало непредвидено? 

Приближенията, които се правят при решаване на водещите уравненията, са разковничето в отговора на този въпрос.

Те могат да се разделят условно на две категории.

Първата обхваща различни аспекти от точността на числените схеми. Например големината на времевата стъпка - тоест, в какъв срок правим прогнозата. Колкото по-малка е времевата стъпка, толкова по-прецизни са решенията.

Но ограниченият капацитет на съвременните компютри създава практически трудности: навременното издаване на прогнозите за времето налага използването на относително големи времеви стъпки, които неотменно водят до неточности в решенията. Този процес на числена дискретизация носи със себе си и други нежелани последствия — невъзможността от адекватното описание на процеси с мащаби по-малки от пространствената резолюция на моделите. Турболенцията е един прекрасен пример за това. Защото важните процеси там са обикновено от порядъка на няколко метра, което е в пъти по-малко от хоризонталната стъпка на съвременните глобални модели (~10-30км).

Втората причина за неточностите в прогнозите идва от несъвършеното ни разбиране за много от водещите процеси в земната система. Докато поведението на флуидите е една добре изследвана тема с ясно дефинирани физични закони, то микрофизиката на облаците е сфера, при която голяма част от закономерностите все още имат чисто емпиричен характер. Има научни сведения, че грешките в прогнозите за времето са много чувствителни към неточното описание на важни микрофизични процеси като кондензация, изпарение, нарастване на облачните елементи (капки и кристали) и образуването на валежи.

И не на последно място трябва да подчертаем, че атмосферата е идеален образец за силно хаотична динамична система. През 60-те години на миналия век американският математик и метеоролог Едуард Лоренц открива, че малки грешки в началните условия на моделите водят до големи разлики в техните решения. В този смисъл, колкото и малки да са приближенията в нашите числени схеми, прогнозата за времето рано или късно ще започне да се отклонява от реалността. Именно затова дължината на надеждните прогнози е ограничена до приблизително 2 седмици напред.

Интересно ми е дали с времето се развива и някаква интуиция по тези въпроси; тоест човек да е достатъчно опитен, за да постигне точно прогноза дори без да използва необходимите инструменти?

Изготвянето на прогнози в днешно време е невъзможно без помощта на гореописаните числени модели. Но с времето се добива рутина и опит при тяхната интерпретация. След завършването на своята теоритична подготовка начинаещите синоптици обикновено натрупват допълнителни практитечески познания с помощта на своите наставници. Те разбират на кои обстановки да обръщат повече внимание и къде моделите грешат най-често в своите решения.

Изготвяте прогнози в САЩ, където има много често и много по-сериозни природни катаклизми в сравнение със ситуацията у нас. Какво в климата на България ни прави изложени на по-леки рискове от природни катастрофи?

Всъщност не съм пряко обвързан с изготвянето на прогнозите в САЩ, но спомагам за тяхното подобрение посредством изследователската си работа.

Причините за по-екстремните явления в САЩ са нейното географско разположение и релеф. Липсата на планини в централните части на страната позволява на студените въдушни маси от Канада да нахлуват почти безпрепятствено на юг, където те срещат влажния тропичен въздух в близост до Карибския басейн. Този голям температурен контраст дестабилизира атмосферата и спомага за формирането на екстремни бури.

Въпреки доста по-северното си разположение, климатът на Европа е много по-мек. Това е така, защото континентът е заобиколен от океани и морета, които смекчават арктичните и тропични въздушни маси на север и юг от континента. Топлото океанско течение Гълфстрийм също допринася за умерения характер на климата в Европа: през студеното полугодие то спомага за формирането на дълбоки атлантически циклони, които пренасят топли и влажни маси далеч на изток. Зимата на 2006-2007 година, когато бях все още ученик в България, беше доминирана именно от такива циклони и неслучайно се нареди сред една от най-безснежните в метеорологичната ни история. През летния сезон конвективните бури са често срещано явление у нас и понякога водят до опустошителни градушки, но отсъствието на добре изразени температурни контрасти ограничава появата на екстремни явления като торнадото. Изключения естествено винаги има и, ако ви е интересно да научите малко повече по темата, бих ви препоръчал ето тази моя научнопопулярна публикация от близкото минало.

Кое всъщност прави един синоптик добър? И как вие самият надграждате познанията и уменията си?

Метеорологията е една от най-бързо развиващите се области в науката и това неизбежно променя ролята на специалистите, работещи в нея. Синоптиците са може би най-силно засегнати от тези промени. Докато през изминалия век те са се уповавали основно на така наречения синоптичен метод, от където произлиза и името на професията, то в днешно време фокусът се измества повече върху ефективния анализ на крупномащабната метеорологична информация. В САЩ например все повече започва да се цени опитът в програмирането, който предлага огромни възможности за по-целенасочена обработка на данни и автоматична корекция на систематични грешки от числените модели.

Работата ми на учен е изключително динамична и интересна. Тя изисква непрекъснато четене на новия академичен печат, участие в семинари и конференции, както и самостоятелна подготовка по теми извън моята тясна специалност. Освен тази техническа част аз съм и активен член на NCAR общността, като взимам участие в каузи и проекти, целящи да подобрят общите условия на работа, да създадат по-добри възможности за професионално развитие, както и да привлекат млади студенти към нашата професия. Това лято например ще бъда наставник на летни стажанти в NCAR и с нетърпение чакам да запаля интереса им към областта на численото моделиране и асимилацията на данни.

Какво в съвременните технологии при прогнозирането на времето е най-актуално в момента, какви са големите научни пробиви?

Преди около 7 години в списание Nature излезе статия, която определи напредъка в численото моделиране на времето като “тиха революция”.

Сложният характер на процесите в атмосферата и все по-големите технологични предизвикателства, пред които сме изправени, изискват промяната на редица аспекти от прогнозирането на времето. От чисто научно естество в момента се полагат големи усилия за взаимното моделиране на атмосферата с други компоненти от система Земя — океаните, земната повърхност, морският лед, както и редица биохимични процеси. Очаква се, че по-големите времеви мащаби на тези компоненти ще подобрят дългосрочните прогнози за времето. В пряка връзка с тези амбиции Европейската комисия наскоро започна мащабен проект под името Destination Earth, който има за цел изработването на дигитални близнаци на планетата Земя. Той ще предложи възможности за интерактивно проучване на голям спектър от геофизични процеси, оценка на човешката дейност върху тях и съответно изготвянето на природосъобразни политики.

Друг важен акцент в близкото бъдеще ще бъде модернизирането на глобалната мрежа от метеорологични наблюдения. Всъщност промените в тази насока са вече налице — в началото на миналия век приземните станции бяха eдинственият метод за измерване на метеорологичните условия, а сега данните от сателитите заемат водещо място в мониторинга на атмосферните процеси. Както споменах и малко по-рано, дистанционните методи за наблюдение от земната повърхност, чиито принцип на работа е подобен на сателитните инструменти, също крият голям потенциал и вече се използват оперативно от няколко страни по света. Заедно с бързо навлизащите в практиката дронове, те ще предложат възможности за много по-прецизно наблюдение на ниските слоеве от атмосферата, които са от особено значение за успешното прогнозиране на времето. Все по-повече ще чуваме и за оползотворяването на данни от любителски метерологични станции, както и от специализирани уреди, монтирани в личните превозни средства на хората.

Разбира се, ефективното използване на всички тези нови данни неизбежно изисква нови методи за тяхната асимилация. Именно тук се намира и моят принос към науката: надявам се, че методиката, която разработвам в момента, ще бъде използвана от водещи метеорологични центрове и ще допринесе за по-точното прогнозиране на времето. Смятам, че работата ми ще даде стимул за още по-силното внедряване на идеи от машинното инжинерство в системите за числено моделиране — не само заради привлекателните им теоритични свойства, но и поради спобността им да бъдат ефективно използвани от суперкомпютърните технологии на бъдещето.

Въпреки че в предишните десетилетия имаше сериозен дебат по отношение на глобалното затопляне, в последните години вече има ясен консенсус: опасността от екологична катастрофа съществува и трябва да се вземат спешни решения. Как вие се отнасяте към този проблем и какви мерки би трябвало да се приложат?

Противоречивите мнения по отношение на климатичните промени винаги са били плод на спекулативни теории и политическа пропаганда, а не на липсващ научен консенсус. Тенденцията към глобално затопляне е неоспорима. И е доказана чрез внимателното сравнение на независими източници на информация.

На този етап прогнозите са категорични, че затоплянето на климата ще продължи и през следващите десетилетия, поставявайки на изпитание възможностите ни към адаптация. Тези климатични прогнози също се изготвят с помощта на числени модели, които използват огромни компютърни ресури, за да решат водещите математически уравнения. За разлика от краткосрочните прогнози за времето обаче, където грешките идват най-вече от началните условия, климатичните симулации се ръководят от разлики в граничните условия като например бъдещите емисии на въглероден диоксид и промените в получената слънчева енергия. Несигурността в тези гранични параметри обикновено води до различни сценарии, които налагат изготвянето на пакет от стратегии за по-ефикасна адаптация към климатичните промени.

Засилващата се острота на природните катаклизми потикват все повече страни да вземат участие в битката с глобалното затопляне. Преди малко повече от два месеца в Глазгоу (Шотландия) се проведе 26-тата конференция по климатичните промени на Обединените нации (COP26), където много от държавите констатираха, че ще направят ревизия на обещанията си от Парижкото споразумение. Същевременно един от новосъзданените финансови алианси на Глазгоу отпусна 130 милиарда частен капитал за по-ускореното достигане на нетна нула (тоест изравняване на изхвърленото и отстраненото количество въглероден диоксид във въздуха). Този климатичен неутралитет е силно застъпен и в Зелената сделка на Eвропейската комисия, наред с други важни цели като опазването на природата и създаването на кръгова икономика, при която изхвърлянето на отпадъчни материали и суровини се свежда до минимум.

Аз се застъпвам силно към всички тези инициативи и се надявам, че големите икономики извън Европа също ще се присъединят към провеждането на една по-агресивна политика за смекчаване на последиците от глобалното затопляне. А индивидуалният принос на всеки един от нас — било то чрез разделното събиране на отпадъци или по-честото използване на обществения транспорт, ще бъде решаващ за предотвратяването на една бъдеща екологична катастрофа.

Интервю на Райко Байчев