最初の予測
天気予報は、農業構造物の播種と栽培に有利な条件を推測しようとした古代の人々に興味を持った最初の予報であった可能性が非常に高いです。 このような日常の気象観測から、多数の民俗標識が成長しています。 ウィキペディアだけでも、天気に関する多くの兆候があります 。 特に、その兆候は「 人々に保存され、今後の気象現象を示すさまざまな兆候について世代から世代へと伝達される情報」であることが示されています。 つまり、人々は天気を見て、観測の一部を最も単純なパターンに入れ、その上に最も単純な予測が作成されました。
船員の予測
中世でさえ、航海と地理的発見の発展中に、航海だけでなく、天気予報にも興味のある船員がいます。 天気予報に対処することになった最初の組織の1つは、シーレーンの状態を評価することを目的として、英国王立協会の貿易評議会によって1854年に設立された気象局でした。 彼は、イギリス海軍の有名な将校であるニュージーランドのロバート・フィッツロイ総督に率いられました。 彼は最初の気象学者の一人になり、一般大衆に最初に予報を提供したことで有名です。 ロバート・フィッツロイが書いた史上初の天気予報が1860年8月1日にタイムズに掲載されました。 英語版の発行日は1860年、ロシア語-1861年です。しかし、すぐに1865年4月30日、財政的義務により、フィッツロイはかみそりで喉を切りました。 彼の自殺のバージョンの1つは、たとえそうではないにしても、彼自身の天気予報の不正確さと考えられています。
その段階では、気象モデリングは可能な範囲を超えたままでしたが、大気の現在の状態に関する情報の収集を整理するために包括的な作業が行われました。 特に、ヨーロッパ全体で24の気象観測所が編成され、モールス電信を使用してデータを交換しました。 さらに、天気予報士は、同じ圧力値を持つポイントが線で接続された天気図を作成する方法を学びました。 したがって、サイクロンと高気圧の最初の「パターン」が形成されました。
天気予報への最初の数学的アプローチ
XIX世紀に、熱力学と流体力学の急速な発展が起こりました。 その結果、天気予報も問題の新しい数学的理解レベルに移行しました。
アメリカの気象学者であるクリーブランド・アッベはこの分野の先駆者となり、気象学の分野での最初の研究は1873年に遡ります。 1901年に公開された彼の主な研究「 長距離天気予報の物理的基礎 」（*）で、彼は数学を使って天気予報の問題を解決しました。「 気象学は流体力学と熱力学の法則の雰囲気への応用です 。」 予測のためのモデルはありませんでしたが、この方向の最初のステップがとられました。 Ebbeは同僚に次のように促しました。「 予測の問題を真剣に見て、それを解決するためのグラフィック、分析、数値の手法を開発してください。」
*公開日およびその他の詳細は、ピーターリンチの記事「 コンピューター天気予報と気候モデリングの起源 」、ロシア語への一般的な科学翻訳、「 天気予報モデル開発の歴史 」から引用されています 。 多くの場合、詳細はウィキペディアとは異なります。
その直後、つまり1904年、ノルウェーの気象学者Wilhelm Bjerknes（http://en.wikipedia.org/wiki/Vilhelm_Bjerknes）の研究が 「 力学と物理学の問題としての天気予報の問題 」を発表しました。 彼の仕事では、ノルウェー人は前任者よりもさらに先を行き、天気予報の問題を正確に述べ、それを2つのステップに分けました。
- 現在の気象条件を診断するステップ。
- 先の時間間隔の天気予報ステップ。
Burkensは、大気の状態を表す7つの重要な変数（圧力、温度、密度、湿度、風速の3つの要素）を特定した最初の人物です。 彼はまた、最初の方程式系を開発しました。その解は天気予報を提供します。 システムには、大気を表す従属変数ごとに、3つの流体力学的運動方程式、連続方程式、状態方程式、熱力学の第1および第2の法則を表す方程式が含まれていました。
リチャードソン天気予報のアイデア
その後のすべての世代の気象学者の真の革新者および刺激者は、数値的手法を使用してBurkens方程式を統合した最初のLewis Fry Richardsonでした。 彼は、1922年に公開された数値プロセスによる天気予報の気象研究での経験を詳細に説明しました。
逆説的に、リチャードソンの主な長所と主な間違いは、ヨーロッパの特定のポイントでの圧力変化の予測の唯一の数値計算であり、彼が本で引用した。 一方、この例は、天気予報を計算する最初の数学的例でした。 一方、この計算例には絶対にばかげた結果がありました。 科学者の計算によると、6時間後の圧力変化は14.5 kPaであったはずで、これはばかげた値です。
彼の計算は正しかった、エラーは初期条件の不正確さにあった。 長年にわたって続いた初期条件の再計算により、リチャードソンが提案したアルゴリズムが正しいことが示されました。
この有名な例は野心的な数学者を彼の側に引き付け、彼は彼の仕事からすべての疑い深い人を押しのけました。 リチャードソンの数学モデルの最初の包括的な実装までに数十年かかりました。
彼の作品で最も頻繁に引用されている段落は、「予測工場」（リチャードソンの予測工場）の説明です。
劇場の講堂に似た大きなホールを想像してみてください。ただし、ブノワールのロッジと円形劇場は正確に円を描き、通常は舞台が置かれている場所を占めています。 この部屋の壁は、地球の表面を表すように描かれています。 天井は、ギャラリーのイギリスの北極、下のワードローブエリアのオーストラリアのメザニンの熱帯地方、床の南極大陸を表しています。 無数の電卓が地球の各地点の天気の計算に取り組んでいます（当時の「コンピューター」は人間の電卓を意味していました）が、各電卓は方程式を1つだけ、または方程式の一部さえも解きます。 地域全体の仕事は、高官によって調整されています。 多数のインジケーター（夜の標識）は、隣接するコンピューターが使用できるように計算結果を継続的に反映します。 したがって、完全な計算は北から南に順番に実行されます。 床にはホール全体の半分の高さの巨大な柱があり、上部には説教壇があります。 この部門では、劇場全体を指揮する男が座っており、彼は多くのアシスタントと使節に囲まれています。 彼の主な義務は、計算の速度を一定に保つことです。 彼は指揮者に非常に似ていますが、ミュージシャンではなく、多数のコンピューターを監督しています。 そして、指揮者の杖の位置は、彼の手の中にあるレイポインターです。今すぐ計算されるべきものはピンクに、すぐに計算されるべきものは青色に輝いています。
20世紀半ばの予測モデルの開発
数値法の分野で科学が達成された後、最初の電子コンピューター（コンピューター）の発明とラジオゾンデの発明の後、リチャードソンの考えが復活しました。 有名な数学者ジョン・フォン・ノイマンは、1946年にプリンストン大学の電子計算機プロジェクトの枠組みでジュール・チャーニーとともに彼らに戻った。
プロジェクトの一環として、解決すべきタスクの1つは、ジュールチャーニーが率いる天気予報タスクでした。 米海軍の委託により、 電子数値積分器とコンピューター （ENIAC）が開発されました。 1950年に最初の数学的天気予報が行われたのは、このマシン上ででした。
もちろん、リチャードソンモデルの実装の一環として、困難と追加の制限が生じましたが、チャーニーが率いる専門家グループは、数学的困難を克服し、新しいシステムから適切な結果を達成することができました。 チャーニーの仕事の結果は1947年から1955年に公開され、大気の状態の数学的モデリングのさらなる発展の基礎となった。
プリンストングループの成功を受けて、ドイツの気象学者は科学研究に関与するようになりました。 特に、1951年、カール・ハインツ・ヒンケルマンは、「 原始人Gleichungenによる実験 」を発表しました。そこでは、チャーニーがいわゆる原始方程式を統合することで効果的な解決策を発見し、発見した制約を詳細に分析しました。 その仕事の結果の成功した実装は、1966年にドイツ気象局に基づいて実施されました。
その後、1956年、フィリップスは全球大気循環モデルに関する論文を発表しました。 これらのモデルでは、地球の表面全体が長方形（水平グリッド）に分割され、ほとんどの場合絶対圧力または相対圧力で指定される垂直サイズを持ちました。 このモデルのすべての計算は、リチャードソンモデルに基づいています。
フィリップスが開発した循環モデルは、気象学の発展の大きな段階となりました。 それ以来、これらのタイプのモデルはますます複雑になり、増加しています。 今日、これらは短期および長期の両方の天気予報の形成の基礎となっています。
最新の天気予報システム
今日、 欧州中期天気予報センター （ECMWF）は、天気予報モデルの開発と改善のリーダーです。
ECMWFは、物理プロセスの高度な解釈を備えた最新の循環モデルを使用しています。 モデルの解像度は25 x 25 kmで、垂直方向に91のレベルがあります。 計算の初期条件は、衛星からのデータを使用した4次元同化スキームによって準備されます。 すべてのデータは2007年のものです。
ECMWFは、10日前の天気予報、1か月前の予報、6か月以上前の季節予報を予測します。 ECMWFハードウェアはIBMによって提供され、High Performance Computing Facility（HPCF）と呼ばれます。 HPCFには、2つの同一のp690 +クラスターが含まれています。 各クラスターは68台のサーバーで構成され、各サーバーには32個のCPUと1.9 GHzの周波数があります。 ピークパフォーマンスは、クラスターあたり16.5テラフロップスです。
著者によると、リチャードソンの「予測工場」は、64,000人の従業員が雇用されている大気と速度を競う、つまり24時間で24時間の予測を立てることができます。 今日のECMWF予測システムは、Richardson Forecasting Factoryよりも約100億倍生産的です。
おわりに
人々の天気予報は何世紀にもわたって興味深いものでしたが、わずか150年前にこのタスクに包括的に取り組みました。 わずか110年前、この問題は最初に数学的記述を受けました。 過去1世紀にわたって、大気予報およびモデリングシステムの開発は革新的なものになりました。 しかし、この革命には、20世紀の最も才能のある数学者の多大な努力と、ハードウェアとソフトウェアへの無尽蔵な投資が必要でした。
下のグラフは、天気予報の品質が長年にわたってどのように改善されているかを示しています。モデルごとに年ごとに精度が向上しています。 今日まで、大気モデリングの分野でこのような膨大な作業が行われ、息をtakingむほどです。 そして、この作業は毎日続けられます。
今日どこでもモデル化されているもの、すなわち経済システムは、大気よりもはるかに単純なシステムです。なぜなら、上司が言ったように、「最初のものは人間によって作成され、2番目のものは神によって作成されます」。 しかし、これらのシステムはすでに成長し、非常に複雑になっているため、最短時間でそれらのキーを見つけることは不可能です。
すべてを考慮に入れて非常に正確に予測できるシステムを構築することは可能ですか？ 大気の数学モデルの開発経験は、それが可能であることを示しています。 そして、何十年もの間、絶え間ない実践と相まって、一定の研究作業のみが、すべての高度なモデルの使用を通じて予測の質を向上させることができます。
残念なことに、このトピックに関するコミュニケーションの私の経験は、予測が現時点では非常に正確であり、遅滞なく、予測モデルの開発への投資がお金の無駄であると多くの人が考えていることを示しています。