كيف تعمل التنبؤات الجوية الحديثة: من الأقمار الصناعية إلى الحواسيب الخارقة

كل تنبؤ جوي، سواء كان نظرة توقعية لسبعة أيام على تطبيق هاتفي أو مسار إعصار صادر عن وكالة وطنية، يبدأ بالطريقة ذاتها: بملاحظات الغلاف الجوي كما هو عليه الآن. يقول المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية المتوسطة الأجل (ECMWF) أنه يستقبل حوالي 800 مليون ملاحظة يومياً، في الغالب من حوالي 90 جهاز قمر صناعي يراقب الغلاف الجوي والمحيط والأرض والثلج والجليد البحري؛ بعد مراقبة الجودة، يتم استخدام حوالي 60 مليون من تلك الملاحظات فعلياً في نظام التنبؤات الخاص به.

تحويل الملاحظات إلى تنبؤ: استيعاب البيانات

الملاحظات الخام لا تغطي كل نقطة على الأرض، لذا لا يمكن للمتنبئين ببساطة قراءة الطقس الحالي منها. بدلاً من ذلك، تستخدم الوكالات تقنية تسمى استيعاب البيانات لدمج الملاحظات غير الكاملة مع تنبؤ قصير المدى من التشغيل السابق، مما ينتج عنه صورة كاملة وفيزيائياً متسقة للغلاف الجوي تسمى تحليل. يستخدم ECMWF طريقة تسمى استيعاب التباين رباعي الأبعاد (4D-Var)، والتي يصفها بأنها جمع 'تخمين أولي للطقس الحالي مع أدلة جديدة من الملاحظات' عبر المساحة والزمن. يصف مكتب الأرصاد الجوية في المملكة المتحدة (Met Office) الخطوة نفسها بشكل أبسط: استيعاب البيانات 'يملأ الفجوات حيث تكون الملاحظات المباشرة مفقودة... بدمج البيانات المتاحة مع تنبؤات النموذج'.

من بين أنواع الملاحظات ذات الأولوية من قبل ECMWF قراءات درجة الحرارة والرطوبة من أدوات الأقمار الصناعية بالموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء، وتقديرات الرياح المشتقة من تتبع السحب ومن أدوات الرادار و lidar و scatterometer، وتقنية تسمى استيعاب 'السماء الكاملة' التي تستخدم بيانات الأقمار الصناعية من المناطق الغائمة والممطرة بدلاً من رفضها.

تشغيل النماذج: معادلات الفيزياء على الحواسيب الخارقة

بعد بناء التحليل، يتولى نموذج التنبؤ العددي بالطقس زمام الأمور. تقسم هذه النماذج الغلاف الجوي إلى شبكة ثلاثية الأبعاد وتحل المعادلات الحاكمة للحركة والطاقة والكتلة والرطوبة في كل نقطة شبكة، ثم تخطو النظام بأكمله للأمام عبر الزمن. يستخدم نظام التنبؤ العالمي للولايات المتحدة (GFS)، الذي يديره المراكز الوطنية للتنبؤ البيئي التابعة لـ NOAA، دقة أفقية أساسية تبلغ حوالي 28 كيلومتراً (18 ميلاً) بين نقاط الشبكة لمخرجاتها في الأسبوع الأول، وتتحول إلى حوالي 70 كيلومتراً (44 ميلاً) للتنبؤات بما يتجاوز سبعة أيام، وتربط نماذج منفصلة للغلاف الجوي والمحيط والأرض/التربة والجليد البحري. ينتج عن ذلك تنبؤ كامل أربع مرات في اليوم، حتى 16 يوماً.

النظام المكافئ لـ ECMWF، نظام التنبؤ المتكامل (IFS)، تم ترقيته في نوفمبر 2024 تحت إصدار يسمى Cycle 49r1. وفقاً لـ ECMWF، تضمنت تلك الترقية استيعاب ملاحظات درجة الحرارة على ارتفاع مترين لأول مرة، وأعادت النظر في كيفية تمثيل النموذج للشكوك في فيزيائيته، وطابقت شبكة نموذج الموجات البحرية مع دقة النموذج الجوي بحوالي 9 كيلومترات للتنبؤات متوسطة المدى. ذكر ECMWF أرباحاً قابلة للقياس من الترقية، بما في ذلك تحسن بحوالي 0.5% في درجات التنبؤ بالقرب من القارة القطبية الجنوبية حتى اليوم الرابع، مدفوعاً جزئياً بيانات الموجات الدقيقة الجديدة على الجليد البحري.

التنبؤ بالمجموعة: التنبؤ بعدم اليقين نفسه

تعطي عملية تشغيل نموذج واحد من تحليل واحد نسخة واحدة من المستقبل، لكن الغلاف الجوي هو ما يسميه العلماء نظاماً فوضوياً: وفقاً لـ Met Office، 'أخطاء صغيرة جداً في حالته الأولية يمكن أن تؤدي إلى أخطاء كبيرة في التنبؤ.' لأن الملاحظات لا يمكنها أبداً أن تلتقط الحالة الحقيقية للغلاف الجوي بشكل مثالي، تشغل الوكالات النموذج نفسه عشرات المرات من ظروف بدء مختلفة قليلاً ومتساوية في الإمكانية. تسمى مجموعة التنبؤات الموازية هذه مجموعة، وكل عملية تشغيل فردية تسمى 'عضو مجموعة'.

لماذا تفقد التنبؤات الثقة في المزيد من الوقت

ذكر ECMWF أن ترقيتها في نوفمبر 2024 Cycle 49r1 أنتجت مكاسب قابلة للقياس في دقة التنبؤ، بما في ذلك تحسن بحوالي 0.5% في درجات التنبؤ بالقرب من القارة القطبية الجنوبية حتى اليوم الرابع، والذي نسبته جزئياً إلى بيانات القمر الصناعي بالموجات الدقيقة الجديدة على الجليد البحري. بشكل أوسع، لأن الأخطاء الصغيرة في ظروف البداية لنظام فوضوي تنمو بمرور الوقت، تصدر الوكالات أيضاً نظرات شهرية وموسمية منفصلة، بناءً على طرق إحصائية مختلفة، بمجرد أن تفقد التنبؤات اليومية فائدتها.

ظهور التنبؤ القائم على الذكاء الاصطناعي

إلى جانب هذه النماذج القائمة على الفيزياء، بدأت الوكالات الوطنية في تشغيل أنظمة التعلم الآلي المدربة على عقود من بيانات الطقس الماضية. أعلنت NOAA في ديسمبر 2025 أنها جعلت ثلاثة أنظمة من هذا القبيل عملياً: AIGFS (نسخة ذكاء اصطناعي من نظام التنبؤ العالمي)، و AIGEFS (نظام مجموعة ذكاء اصطناعي) و HGEFS، مجموعة من 62 عضواً تمزج التنبؤات القائمة على الذكاء الاصطناعي والفيزياء. وفقاً لـ NOAA، يمكن لـ AIGFS إنتاج تنبؤ عالمي لمدة 16 يوماً في حوالي 40 دقيقة باستخدام حوالي 0.3% من موارد الحوسبة التي يتطلبها GFS التقليدي، و AIGEFS يحتاج إلى حوالي 9% من موارد المجموعة القياسية. وصف مسؤول NOAA Neil Jacobs الأنظمة بأنها 'قفزة كبيرة للأمام في ابتكار نماذج الطقس الأمريكية'، مستشهداً بدقة محسنة للأنماط واسعة النطاق والتنبؤات بمسار الأعاصير، على الرغم من أن NOAA أقرت أيضاً أن AIGFS يُظهر حالياً أداءً متدهوراً في التنبؤ بشدة الأعاصير، وهي منطقة قالت السلطات أنها لا تزال تحتاج إلى مزيد من التطوير.

من مخرجات النموذج إلى التنبؤ الذي تراه

بيانات النموذج عادة لا تكون المنتج النهائي. يقول Met Office أنه بعد انتهاء تشغيل الحاسوب الخارق، يفسر المتنبئون البشريون مخرجات النموذج، ويأخذون في الاعتبار التضاريس المحلية والظروف التي لا يمكن لدقة النموذج أن يلتقطها بالكامل، ويعدلون التنبؤ قبل نشره، مما يجمع بين الحكم البشري والمخرجات الحاسوبية لإنتاج تنبؤ قابل للاستخدام.