Proč předpověď počasí nevychází? Meteorologové jsou v tom nevinně

Vtípky na špatnou předpověď počasí patří k nejoblíbenějším tématům společenské konverzace. Asi každý z nás má v zásobě historku o tom, jak se místo sluníčka předčasně vracel z naplánovaného výletu kvůli náhlé sněhové vánici. Je to ale opravdu s předpovědí počasí tak špatné?

Meteorologická stanice v Holešově (7. srpna 2015). | foto: Zdeněk Němec, MAFRA

Málokterý obor přírodních věd má tak nezaslouženě špatnou pověst jako právě meteorologie. Její metody přitom nejsou žádné věštění z kávové sedliny, ale spíše boj s nevyzpytatelnou přírodou s pomocí pokročilé matematiky a drahého přístrojového vybavení. Pokud tedy chceme porozumět tomu, kde se chyby v předpovědích berou, musíme se nejprve podívat na to, jak předpověď počasí vzniká.

Prvním krokem meteorologů při předpovídání počasí na několik dní dopředu je co nejpřesnější popis stavu, ve kterém se zemská atmosféra právě nachází. Mohlo by se zdát, že k tomu stačí dát dohromady dostatek dobrovolníků ve všech koutech světa, kteří v jeden okamžik změří venkovní teplotu, rychlost a směr větru a oznámí, zda neprší či nesněží. V době internetu tedy žádný problém. Ve skutečnosti by nám však tato data sama o sobě příliš kvalitní předpověď neposkytla. Meteorologické jevy ovlivňující budoucí počasí se totiž vyskytují v rámci celé troposféry, která může sahat až do výšky 20 km nad zemí. Z hodnot naměřených blízko u země je proto prakticky nemožné určit, zda se vysoko nad námi právě například neodehrává silná vichřice.

K získání těchto informací meteorologové využívají meteorologické balony, které jsou schopny poskytnout během letu všechna chybějící data o atmosféře až do výšky několika desítek kilometrů. Jejich pravidelné vypouštění je však finančně velmi náročné. Celosvětově se proto tato měření uskutečňují pouze na 600–800 z více než 10 000 existujících pozemních meteorologických stanic. Mnoho důležitých meteorologických jevů se také odehrává uprostřed oceánů, kde měřicí stanice často chybí úplně.

Mapa míst, ze kterých po světě probíhá pravidelné měření podmínek ve stratosféře s pomocí meteorologických balónů

I přesto, že je v dnešní době možné část potřebných dat získat pomocí satelitních měření, je v mnoha případech nakonec nutné hodnoty pro slepá místa na mapě přibližně odhadnout podle jejich okolí. V tomto okamžiku tedy vzniká první z mnoha potenciálně osudových nepřesností, která vám o několik dní později může přinést místo slíbeného slunečného dne celodenní průtrž mračen. Pro předpověď meteorologicky významných jevů, jako jsou například hurikány, bývají proto podmínky panující v jejich okolí dodatečně upřesňovány pomocí průzkumných letadel.

Dalším krokem k získání předpovědi je sestavení matematického modelu atmosféry. Ten s pomocí soustavy takzvaných základních rovnic umožňuje z aktuálních meteorologických dat vypočítat, jak se změny tlaku, teploty a rychlosti proudění vzduchu projeví na změně počasí v budoucnu. Složitost těchto nelineárních diferenciálních rovnic sice neumožňuje jejich přesné vyřešení, ale s využitím výpočetního výkonu superpočítačů je možné pomocí numerických metod získat rozumně přesný odhad vývoje alespoň pro několik nejbližších desítek minut.

Krok za krokem až na zcestí

Pro získání předpovědi na několik dnů dopředu je proto nutné rozdělit dlouhý výpočet do série mnoha krátkých kroků, kdy výsledky výpočtu z jednoho kroku slouží vždy jako počáteční podmínky pro výpočet v kroku následujícím. Tento postup je opakován do té doby, než předpověď dosáhne požadované délky. Vzhledem k chaotickému chování zemské atmosféry však s rostoucím počtem kroků rychle narůstá i množství chyb a i zdánlivě zanedbatelná odchylka v teplotě či tlaku v získaných datech tak učiní jakoukoliv předpověď na dobu delší než 5–6 dnů zcela nepoužitelnou (o tomto tzv. efektu motýlích křídel více v boxu na konci článku).

Při odhadu předpovědi na více dní dopředu se proto meteorologové musí uchýlit k drobnému triku. Místo jedné, velmi přesné simulace uskuteční několik desítek simulací nepřesných, lišících se mírně v počátečních podmínkách. Takto získaná data následně statisticky zpracují a vyjádří ve formě pravděpodobnosti nějakého meteorologického jevu.

Tento postup je možné připodobnit k pouštění papírové loďky po rozvodněné řece. Pokud bychom se snažili předpovědět její budoucí trasu, od určité vzdálenosti se nám to přestane dařit, neboť se loďka zmítaná nahodile vířící vodou vydá pokaždé někam jinam. Pokud ale lodiček vypustíme více najednou, můžeme například vypozorovat, že dvě třetiny z nich vždy proplují mezi druhým a třetím pilířem nedalekého mostu a je tedy velká šance, že tudy proplují i lodičky další.

Graf vysvětluje, proč meteorologové nevytváří „předpověď počasí“, ale de facto celou řadu předpovědí, které mají sice odlišné výsledky, ale obvykle tíhnou k jednomu pravděpodobnému scénáři.

Lokální trable

Ač by se mohlo zdát, že situace meteorologů už o mnoho komplikovanější být nemůže, skutečná výzva na ně čeká teprve při pokusu o předpověď počasí v místních podmínkách. Globální numerické modely jsou pro podrobnou předpověď počasí příliš hrubé a jejich výsledky tak musí být dále upřesněny pomocí různých lokálních modelů (v Česku je to např. ALADIN). Ty v sobě zahrnují bližší informace o dané lokalitě spolu se známou statistickou a klimatologickou historii předchozích pozorování. Každý model má ale i svoje omezení, a tak meteorolog musí při porovnávání více modelů správně odhadnout, kterému výsledků dát přednost. Závěrečný verdikt tak závisí především na jeho zkušenosti a znalostech svého oboru.

Poslední faktor, který v nás často vyvolává dojem nepřesnosti předpovědí, je psychologický. Lidé mají tendenci si pamatovat spíše situace, které jsou spojeny s emocemi. Zapamatujeme si tedy spíše chvíle, kdy nás počasí zaskočí, než ty, kdy je vše v pořádku.

Obecnou a zjednodušenou předpověď pro určitou oblast také máme tendenci vztahovat jen vůči místu, kde se zrovna nacházíme. Pokud tedy meteorolog předpoví s dešťové srážky na Jižní Moravě, mají obyvatelé Brna po celém dni bez mráčku oprávněný pocit, že předpověď zase nevyšla, přestože nad Znojmem vzdáleným pouhých 50 km vzdušnou čarou skutečně vydatně pršelo a předpověď tedy byla korektní.

Efekt motýlích křídel – malé zaokrouhlení, které změnilo vědu

Na počátku roku 1961 se Edward Lorenz, profesor meteorologie na MIT, pokoušel vyvinout jednoduchý počítačový program umožňující co nejvěrněji napodobit chování počasí. Jeho model pro svůj běh vyžadoval zadání několika proměnných popisujících počáteční podmínky atmosféry. Během svých experimentů se Lorenz rozhodl navázat na jeden z dřívějších výpočtů a získat tak chybějící data za delší období.

Vysoká přesnost programu se zadáním hodnot na 6 desetinných míst se pro tento účel zdála být zbytečná a Lorenz se tak pokusil ušetřit trochu času a opsal z podkladů jednu hodnotu zaokrouhlenou z 0,506127 na 0,506. Z počátku vše probíhalo jak má. K jeho velkému překvapení se ale model začal po určité době rychle odklánět od původních výsledků, až nakonec zcela ožil vlastním životem. Podobné věci se občas stávaly a většinou za ně mohla porucha hardwaru. Tentokrát ale bylo vše v počítači v pořádku.

Lorenz byl u vytržení. Nikdo do té doby nečekal, že by takto zanedbatelná změna v počátečních podmínkách mohla naprosto změnit chování celého modelu. Tolik očekávaná možnost předpovědi počasí na měsíce dopředu byla náhle v troskách. Ve své pozdější přednášce Lorenz tento fenomén označil poeticky jako efekt motýlích křídel, která jsou schopna svým pohybem teoreticky rozpoutat tornádo na druhé straně zeměkoule. Chytlavost této myšlenky pomohla zpopularizovat v té době se nově rozvíjející teorii chaosu a seznámit tak veřejnost jejími revolučními důsledky pro současnou vědu i filozofii.

Výsledky slavného Lorenzova modelu: díky na pohled zanedbatelnému rozdílu v počátečních hodnotách se výsledky modelu po jisté době začnou dramaticky rozcházet.