Počasí lze možná předpovědět na mnohem delší dobu než dva týdny
Úspěšná předpověď počasí patří k jednomu z velkých splněných snů lidstva. Zejména prognóza na následující den bývá velmi přesná, ale i předpověď na 4 až 6 dnů je většinou vcelku spolehlivá. Předpověď na týden už obsahuje podstatně větší nejistotu a prognóza na dva týdny zpravidla nebývá využitelná prakticky vůbec, alespoň v našich zeměpisných oblastech. Jedná se o důsledek nedokonalých měření a modelů, nebo má atmosféra hranici, za kterou počasí z principu předpovědět nelze?
Otázka konečné předvídatelnosti počasí zaměstnává meteorology desítky let. Je neoddělitelně spojena se jménem amerického meteorologa Edwarda Nortona Lorenze, který v 60. letech minulého století ukázal, že atmosféra se chová jako chaotický systém. I nepatrný rozdíl v počátečním stavu může postupně vést ke zcela odlišnému vývoji. Tento princip se proslavil jako „motýlí efekt“. Ten vyjadřuje fakt, že malé chyby v počátečních podmínkách se postupně zvětšují a po určité době začnou být srovnatelné s rozdíly mezi různými možnými stavy atmosféry. Od tohoto časového okamžiku už předpověď obsahuje podstatně větší nejistotu a je problematické určit konkrétní vývoj počasí do vzdálenější doby.
V současnosti platí, že předpověď počasí může obsahovat využitelnou informaci o konkrétním budoucím stavu atmosféry maximálně 14 dnů. Samozřejmě záleží na situaci i na tom, co předpovídáme. Stabilní tlakovou výši lze zpravidla odhadnout déle dopředu než místo a čas vzniku konkrétní letní bouřky nebo chování zvlněné studené fronty.
Ukázka ansámblové předpovědi pro teplotu vzduchu v hladině 850 hPa (asi 1,5 km nad zemí) nad Londýnem z 19. 8. 2026. Zhruba od 25. 8. jsou jednotlivé členy ansámblu velmi rozdílné - předpověditelnost počasí je tak podle tohoto modelu jen zhruba 5 až 6 dnů, zdroj: wetterzentrale.de
Dosavadní úvahy o konečné hranici předvídatelnosti většinou vycházely právě z exponenciálního růstu malých chyb. Autoři nové studie ale zvolili úplně jiný přístup. Místo otázky, jak rychle roste chyba předpovědi, se ptají, jak dlouho může atmosféra vůbec uchovávat informaci o svém počátečním stavu. A tady vstupuje do hry energetická bilance Země, která je základem veškerého dění v atmosféře. Kdyby byla atmosféra dokonale uzavřeným deterministickým systémem, jehož stav bychom v každém bodě znali naprosto přesně, informace by se teoreticky mohla zachovat neomezeně dlouho. Skutečná atmosféra ale uzavřená rozhodně není. Neustále do ní přichází energie ze Slunce a zároveň z ní energie uniká do kosmického prostoru. Příchozí sluneční energie obsahuje na nejmenších úrovních nevyhnutelné a náhodné fluktuace, a to minimálně na kvantové úrovni, které nemůžeme znát předem. Do atmosféry se tedy neustále dostává nový nepředvídatelný šum. Ten ovlivní nejprve jevy nejmenších měřítek, ale turbulentními interakcemi se jeho vliv postupně šíří k jevům s měřítky většími.
Složky energetické bilance Země (S_in,toa a L_out,toa - dopadající krátkovlnné a odcházející dlouhovlnné záření na horní hranici atmosféry) (do češtiny upraveno pomocí AI), zdroj: link.springer.com
Porovnáním celkové energie obsažené v atmosféře s množstvím energie, které jí průběžně prochází, dostali vědci charakteristickou dobu přibližně 57 dní. Zjednodušeně řečeno, za takovou dobu projde atmosférou množství energie srovnatelné s její celkovou energetickou zásobou. A právě o těchto 57 dní by podle autorů bylo teoreticky možné prodloužit dnešní období potenciální předpovědi, pokud bychom jednou dokázali odstranit prakticky všechny chyby modelů a počátečních podmínek. Z dnešních přibližně 14 dní bychom se tak v idealizovaném případě dostali zhruba k 70 dnům. Ani poté však informace o původním stavu atmosféry nezmizí náhle. Následuje přibližně stejně dlouhé období, kdy by její stopa byla stále přítomná, ale už příliš slabá pro předpověď s dovedností srovnatelnou s dnešními prognózami. Teprve po dalších zhruba 57 dnech by měla být původní informace zcela překryta novým nepředvídatelným šumem. Vzniká tak schematický součet 14 + 57 + 57 dní, který po použití přesnějších hodnot dává konečný odhad 129 ± 7 dní. Nicméně oněch druhých 57 dní je přitom třeba interpretovat velmi opatrně - nejde o další období předpovědi odvozené přímo z energetické bilance, ale o odhad toho, jak dlouho může v atmosféře přetrvávat už tak velmi slabá stopa informace o počátečním stavu. Výsledných 129 dní je proto vhodné chápat spíše jako navrženou teoretickou horní mez než jako nově prokázanou hranici předpověditelnosti atmosféry.
Oranžová křivka znázorňuje růst chyby předpovědi: čím dále hledíme do budoucnosti, tím méně informace o původním stavu atmosféry v prognóze zůstává. Červené body označují dnešní počáteční chybu a přibližně čtrnáctidenní hranici využitelné předpovědi. Modré body představují hypotetické limity, ke kterým bychom se mohli přiblížit s téměř dokonalými počátečními daty a modelem. Plná část křivky vychází z pozorovaného chování předpovědních chyb, přerušovaná část je už extrapolací autorů. Stupnice nahoře označují pokles počátečního rozptylu chyb v průběhu let, což odpovídá prodloužení předpovědní dovednosti o 1 den za dekádu, zdroj: link.springer.com
Studie tedy neukazuje, že konkrétní počasí lze předpovídat na čtyři měsíce dopředu, ale spíš otevírá novou otázku, jak vlastně fyzikální hranici předvídatelnosti atmosféry definovat. A přitom nabízí odpověď na mnohem základnější otázku - jak dlouho vůbec může atmosféra nést stopu informace o tom, v jakém stavu byla na začátku předpovědi? Výsledek ukazuje na potenciálně povzbudivou informaci pro meteorology. Dnešní zhruba dvoutýdenní praktická hranice zřejmě nemusí být definitivní. Přesnější pozorování, lepší numerické modely, ansámblové metody a také umělá inteligence mohou z atmosféry získat více předpovědní informace než dnes. I tak ale k významnějšímu prodloužení předpovědi nad hranici 14 dnů povede ještě velmi dlouhá cesta – a možná se k ní v praktické předpovědi konkrétního počasí nikdy ani nepřiblížíme.
Závěrem se možná nabízí otázka, zda by vlastně nešlo přesně předvídat i energii dopadající ze Slunce. Zatímco průměrný tok sluneční energie můžeme předpovědět poměrně dobře, nejsme schopni určit jeho přesné drobné fluktuace, například konkrétní sled jednotlivých fotonů. Pokud atmosféra dokáže tyto nepatrné fluktuace výrazně zesílit, mohou představovat jeden ze základních zdrojů nepředvídatelnosti.
Otázka konečné předvídatelnosti počasí zaměstnává meteorology desítky let. Je neoddělitelně spojena se jménem amerického meteorologa Edwarda Nortona Lorenze, který v 60. letech minulého století ukázal, že atmosféra se chová jako chaotický systém. I nepatrný rozdíl v počátečním stavu může postupně vést ke zcela odlišnému vývoji. Tento princip se proslavil jako „motýlí efekt“. Ten vyjadřuje fakt, že malé chyby v počátečních podmínkách se postupně zvětšují a po určité době začnou být srovnatelné s rozdíly mezi různými možnými stavy atmosféry. Od tohoto časového okamžiku už předpověď obsahuje podstatně větší nejistotu a je problematické určit konkrétní vývoj počasí do vzdálenější doby.
V současnosti platí, že předpověď počasí může obsahovat využitelnou informaci o konkrétním budoucím stavu atmosféry maximálně 14 dnů. Samozřejmě záleží na situaci i na tom, co předpovídáme. Stabilní tlakovou výši lze zpravidla odhadnout déle dopředu než místo a čas vzniku konkrétní letní bouřky nebo chování zvlněné studené fronty.
Ukázka ansámblové předpovědi pro teplotu vzduchu v hladině 850 hPa (asi 1,5 km nad zemí) nad Londýnem z 19. 8. 2026. Zhruba od 25. 8. jsou jednotlivé členy ansámblu velmi rozdílné - předpověditelnost počasí je tak podle tohoto modelu jen zhruba 5 až 6 dnů, zdroj: wetterzentrale.de
Dosavadní úvahy o konečné hranici předvídatelnosti většinou vycházely právě z exponenciálního růstu malých chyb. Autoři nové studie ale zvolili úplně jiný přístup. Místo otázky, jak rychle roste chyba předpovědi, se ptají, jak dlouho může atmosféra vůbec uchovávat informaci o svém počátečním stavu. A tady vstupuje do hry energetická bilance Země, která je základem veškerého dění v atmosféře. Kdyby byla atmosféra dokonale uzavřeným deterministickým systémem, jehož stav bychom v každém bodě znali naprosto přesně, informace by se teoreticky mohla zachovat neomezeně dlouho. Skutečná atmosféra ale uzavřená rozhodně není. Neustále do ní přichází energie ze Slunce a zároveň z ní energie uniká do kosmického prostoru. Příchozí sluneční energie obsahuje na nejmenších úrovních nevyhnutelné a náhodné fluktuace, a to minimálně na kvantové úrovni, které nemůžeme znát předem. Do atmosféry se tedy neustále dostává nový nepředvídatelný šum. Ten ovlivní nejprve jevy nejmenších měřítek, ale turbulentními interakcemi se jeho vliv postupně šíří k jevům s měřítky většími.
Složky energetické bilance Země (S_in,toa a L_out,toa - dopadající krátkovlnné a odcházející dlouhovlnné záření na horní hranici atmosféry) (do češtiny upraveno pomocí AI), zdroj: link.springer.com
Porovnáním celkové energie obsažené v atmosféře s množstvím energie, které jí průběžně prochází, dostali vědci charakteristickou dobu přibližně 57 dní. Zjednodušeně řečeno, za takovou dobu projde atmosférou množství energie srovnatelné s její celkovou energetickou zásobou. A právě o těchto 57 dní by podle autorů bylo teoreticky možné prodloužit dnešní období potenciální předpovědi, pokud bychom jednou dokázali odstranit prakticky všechny chyby modelů a počátečních podmínek. Z dnešních přibližně 14 dní bychom se tak v idealizovaném případě dostali zhruba k 70 dnům. Ani poté však informace o původním stavu atmosféry nezmizí náhle. Následuje přibližně stejně dlouhé období, kdy by její stopa byla stále přítomná, ale už příliš slabá pro předpověď s dovedností srovnatelnou s dnešními prognózami. Teprve po dalších zhruba 57 dnech by měla být původní informace zcela překryta novým nepředvídatelným šumem. Vzniká tak schematický součet 14 + 57 + 57 dní, který po použití přesnějších hodnot dává konečný odhad 129 ± 7 dní. Nicméně oněch druhých 57 dní je přitom třeba interpretovat velmi opatrně - nejde o další období předpovědi odvozené přímo z energetické bilance, ale o odhad toho, jak dlouho může v atmosféře přetrvávat už tak velmi slabá stopa informace o počátečním stavu. Výsledných 129 dní je proto vhodné chápat spíše jako navrženou teoretickou horní mez než jako nově prokázanou hranici předpověditelnosti atmosféry.
Oranžová křivka znázorňuje růst chyby předpovědi: čím dále hledíme do budoucnosti, tím méně informace o původním stavu atmosféry v prognóze zůstává. Červené body označují dnešní počáteční chybu a přibližně čtrnáctidenní hranici využitelné předpovědi. Modré body představují hypotetické limity, ke kterým bychom se mohli přiblížit s téměř dokonalými počátečními daty a modelem. Plná část křivky vychází z pozorovaného chování předpovědních chyb, přerušovaná část je už extrapolací autorů. Stupnice nahoře označují pokles počátečního rozptylu chyb v průběhu let, což odpovídá prodloužení předpovědní dovednosti o 1 den za dekádu, zdroj: link.springer.com
Studie tedy neukazuje, že konkrétní počasí lze předpovídat na čtyři měsíce dopředu, ale spíš otevírá novou otázku, jak vlastně fyzikální hranici předvídatelnosti atmosféry definovat. A přitom nabízí odpověď na mnohem základnější otázku - jak dlouho vůbec může atmosféra nést stopu informace o tom, v jakém stavu byla na začátku předpovědi? Výsledek ukazuje na potenciálně povzbudivou informaci pro meteorology. Dnešní zhruba dvoutýdenní praktická hranice zřejmě nemusí být definitivní. Přesnější pozorování, lepší numerické modely, ansámblové metody a také umělá inteligence mohou z atmosféry získat více předpovědní informace než dnes. I tak ale k významnějšímu prodloužení předpovědi nad hranici 14 dnů povede ještě velmi dlouhá cesta – a možná se k ní v praktické předpovědi konkrétního počasí nikdy ani nepřiblížíme.
Závěrem se možná nabízí otázka, zda by vlastně nešlo přesně předvídat i energii dopadající ze Slunce. Zatímco průměrný tok sluneční energie můžeme předpovědět poměrně dobře, nejsme schopni určit jeho přesné drobné fluktuace, například konkrétní sled jednotlivých fotonů. Pokud atmosféra dokáže tyto nepatrné fluktuace výrazně zesílit, mohou představovat jeden ze základních zdrojů nepředvídatelnosti.
Encyklopedie počasí
Přečtěte si další články z naší rozsáhlé encyklopedie počasí, která shrnuje poznatky o meteorologii a počasí. Pochopíte řadu základních meteorologických prvků a způsob vytváření předpovědí počasí.
