Dự báo thời tiết sẽ luôn có sai sót?

TS. Jon Shonk, Khoa Khí tượng, trường Đại học Reading (Úc) – người tập trung vào nghiên cứu về nguyên nhân của sự sai số có hệ thống trong các mô hình khí hậu, đã giải thích vì sao tồn tại những sai sót trong các bản tin dự báo thời tiết và trong tương lai, chúng ta có thể cải thiện điều đó không.

Dự báo của ECMWF-HRES về nơi hai cơn bão nhiệt đới có thể đổ bộ. Nguồn: eldersweather.com.au

Công chúng “săm soi” khoa học dự báo thời tiết từng ngày. Khi các bản tin dự báo đúng, chúng ta hiếm khi nói gì nhưng mỗi khi bản tin đó sai sót thì chúng ta phản ứng tức thì. Vậy chúng ta thích có một bản dự báo hoàn hảo chính xác theo giờ?

Có nhiều bước để chuẩn bị cho một bản dự báo thời tiết. Nó bắt đầu từ một “cú chụp nhanh” bầu khí quyển trong một khoảng thời gian đã cho, được đặt lên một bản đồ ba chiều với các điểm nối toàn cầu và kéo dài từ bề mặt Trái đất đến tầng bình lưu (và thi thoảng ở mức cao hơn).

Sử dụng một siêu máy tính và một mô hình phức tạp để miêu tả tính chất của bầu khí quyển với các phương trình vật lý, cú chụp nhanh này được phân kỳ theo thời gian, và tạo ra hàng terabyte dữ liệu dự báo thô. Sau đó, những người làm công tác dự báo thời tiết sẽ diễn dịch dữ liệu này và đem lại cho nó ý nghĩa về dự báo thời tiết để truyền đạt cho công chúng.

Thời tiết trong thời tiết 

Công việc dự báo thời tiết luôn là thách thức lớn. Ngay từ đây, chúng ta cố gắng dự báo những thứ vốn đã không thể dự báo. Bầu khí quyển là một hệ hỗn loạn – một thay đổi nhỏ trong trạng thái này của khí quyển tại một địa điểm cũng có thể dẫn đến những hệ quả khác lạ ở bất cứ nơi nào theo thời gian, vốn được một nhà khoa học gọi đó là hiệu ứng cánh bướm. 

Bất kỳ lỗi nào trong một bản tin dự báo sẽ là nguyên nhân để phát triển thành các lỗi trên quy mô lớn hơn. Và khi chúng ta đặt ra nhiều giả thiết trong mô phỏng khí quyển, các lỗi này rút cục tạo ra các thông tin dự báo sai. Để có được một bản dự báo thời tiết hoàn hảo, chúng ta cần loại bỏ từng lỗi nhỏ nhặt.

Kỹ năng làm công tác dự báo đã được cải thiện theo thời gian. Trong kỷ nguyên của siêu máy tính, các vấn đề dự báo hiện đại đang ngày càng đáng tin cậy hơn trước đây. Bản tin dự báo thời tiết sớm nhất của Anh có từ năm 1861, khi nhà khí tượng học kiêm thành viên lực lượng Hải quân hoàng gia Robert Fitzroy bắt đầu xuất bản các bản tin trên tờ The Times. Các phương pháp của ông bao gồm việc vẽ các biểu đồ thời tiết có sử dụng những dữ liệu quan sát ở các khu vực và đưa ra các dự đoán trên cơ sở thời tiết trong quá khứ khi các biểu đồ hiển thị tình trạng tương tự. Nhưng dự báo của ông thường sai và tờ báo này nhanh chóng nhận phải những lời chỉ trích.

Một bước nhảy vọt đã được tạo ra khi các siêu máy tính được đưa vào cộng đồng dự báo thời tiết trong những năm 1950. Mô hình máy tính đầu tiên đơn giản hơn nhiều so với hiện nay, dự đoán chỉ một biến trong một khung lưới với không gian khoảng 750km. Chính nó đã mở ra cách dự báo thời tiết hiện đại, vốn có những nguyên lý chính vẫn dựa trên cách tiếp cận tương tự, dẫu cho những mô hình ngày nay phức tạp hơn và dự đoán trên nhiều biến hơn.

Ngày nay, một bản dự báo thời tiết bao gồm những chuyển động phức tạp của một mô hình thời tiết. Các trung tâm dự báo thời tiết thông thường chạy một mô hình toàn cầu với một không gian lưới khoảng 10km, kết quả của nó là một mô hình địa phương có độ phân giải cao. 

Để đưa ra một con số ước lượng trong dự báo, nhiều trung tâm dự báo thời tiết có thể chạy nhiều mô hình dự báo song song, mỗi mô hình hiển thị những thay đổi nhỏ được tạo ra từ “cú chụp nhanh” bầu khí quyển ban đầu. Những thay đổi nhỏ này tiến triển trong suốt dự báo và giúp người dự báo đưa ra một khả năng có thể đến của những gì đang diễn ra – ví dụ như tỷ lệ phần trăm về khả năng có mưa.   

Tương lai của dự báo

Thời đại siêu máy tính đã góp phần phát triển khoa học dự báo thời tiết (và thậm chí là dự báo biến đổi khí hậu. Các siêu máy tính hiện đại đang có khả năng trình diễn hàng trăm nghìn tỷ phép tính mỗi giây, và có thể lưu trữ, xử lý hàng petabytes dữ liệu. Siêu máy tính Cray tại Văn phòng Met của Anh có năng lực tính toán và lưu trữ dữ liệu tương đương với một triệu điện thoại thông minh Samsung Galaxy S9.
Điều đó nghĩa là chúng ta có năng lực tính toán để chạy các mô hình với độ phân giải cao và bao gồm các biến đa dạng trong dự báo. Nó cũng có nghĩa là chúng ta có thể xử lý nhiều dữ liệu đầu vào khi tạo ra nhiều “cú chụp nhanh” ban đầu, tạo ra một bức tranh khí quyển chính xác hơn để bắt đầu dự đoán.

Quá trình này dẫn đến việc phải tăng cường kỹ năng dự báo. Theo một công bố trên Nature năm 2015 của Peter Bauer, Alan Thorpe và Gilbert Brunet, sự lượng hóa rõ ràng trong dự báo đã được miêu tả những tiên tiến trong dự báo thời tiết như một “cuộc cách mạng thầm lặng”. Độ chính xác của dự báo thời tiết 5 ngày hiện nay cao hơn rất nhiều so với dự báo 3 ngày ở thời kỳ 20 năm trước đây, và cứ mỗi thập kỷ, kỹ năng dự báo của chúng ta lại tăng lên một ngày. Về cơ bản, dự báo thời tiết ba ngày chính xác như dự báo hai ngày của 10 năm trước. 

Nhưng kỹ năng dự báo có tiếp tục được nâng cao trong tương lai? Điều này phụ thuộc một phần nào những gì mà chúng ta có thể tạo ra với công nghệ siêu máy tính. Các siêu máy tính có tốc độ tính toán nhanh hơn có nghĩa là chúng ta có thể chạy các mô hình của chúng ta ở độ phân giải cao hơn và tái lập được các quá trình diễn ra trong khí quyển nhiều hơn, theo lý thuyết thì nó dẫn đến việc cải thiện kỹ năng dự báo thời tiết.

Theo định luật Moore – “Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi năm” (1 inch vuông xấp xỉ 6,45 cm²), năng lực tính toán của máy tính sẽ được tăng lên gấp đôi sau hai năm, kể từ những năm 1970. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, tốc độ này đã giảm xuống, vì vậy cần có những cách tiếp cận khác để tạo ra những tiến bộ trong tương lai, như tăng hiệu suất tính toán của các mô hình.

Vậy chúng ta có đủ khả năng dự đoán thời tiết chính xác 100%? Trong thời gian ngắn thì chưa. Có 2×10⁴⁴ (200,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000) phân tử chuyển động ngẫu nhiên trong khí quyển– nỗ lực tái hiện tất cả mọi thứ là điều không thể. Bản chất hỗn loạn của thời tiết có nghĩa là chỉ cần chúng ta tạo ra các giả thuyết về những quá trình diễn ra trong khí quyển thì luôn luôn có khả năng để một mô hình đưa ra sai sót trong dự báo. 

Sự tiến triển trong các mô hình thời tiết có thể cải thiện những phép biểu diễn thống kê và cho phép chúng ta tạo ra nhiều giả thuyết thực tế hơn, và các siêu máy tính có tốc độ tính toán nhanh hơn có thể cho phép tăng thêm các chi tiết hoặc độ phân giải cho các mô hình thời tiết, nhưng bản chất của dự báo thời tiết vẫn là một mô hình luôn luôn đòi hỏi một số giả thuyết. Dẫu sao, miễn là nghiên cứu để cải thiện các giả thuyết này, tương lai của dự báo thời tiết vẫn hết sức tươi sáng và chúng ta có thể tiến gần đến sự dự báo hoàn hảo. 

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://theconversation.com/why-the-weather-forecast-will-always-be-a-bit-wrong-101547