پیش‌بینی بهتر آب و هوا با فناوری دیجیتال

پیش‌بینی آب و هوا یکی از کار‌هایی است که از سالیان گذشته تاکنون فناوری‌هایی بسیاری برای انجام آن توسعه یافته‌اند، اما اکنون و با وجود پدیده‌هایی مانند گرمایش جهانی باید این کار بسیار دقیق‌تر از قبل انجام شود.

اخیرا آمریکا شاهد بارش شدید برف در برخی از ایالت‌های جنوبی و مرکزی آمریکا همزمان با موج سرما و یخبندان بود و این موضوع مشکلات عمده‌ای نیز برای شهروندان آن مناطق به وجود آورد. به دلیل گرمایش جهانی، رویداد‌های شدید هوای گرم و سرد و طوفان‌های شایع، بیشتر، شدیدتر و اغلب طولانی‌تر می‌شوند.

پیش‌بینی آب و هوا طی ۲۰ سال گذشته راه زیادی را پیموده است و هنوز هم مسیری طولانی پیش رو دارد. اما آیا استفاده از فناوری‌های گوناگون می‌تواند به بهبود توانایی هواشناسان برای پیش‌بینی بهتر الگو‌های آب و هوایی کمک کند؟ چقدر دقیق می‌توان آب و هوا را پیش‌بینی کرد تا شاهد خسارت‌های جبران ناپذیر نباشیم؟

روند پیش‌بینی الگو‌های آب و هوا یک علم بسیار پیچیده است و نیاز به به تجزیه و تحلیل و رمزگشایی از مجموعه داده‌های عظیم جمع‌آوری شده روزانه از هزاران حسگر و ماهواره‌های هواشناسی دارد.

دانشمندان تاکنون با توسعه ابزار‌های پیشرفته نقش مهمی در این زمینه داشته‌اند. آن‌ها به لطف سرمایه‌گذاری‌های دولتی و خصوصی موفق به توسعه ماهواره‌های پیش‌بینی آب و هوا و مدل‌های رایانه‌ای پیشرفته شده‌اند. در این خبر به بررسی فناوری‌هایی که می‌توانند در این زمینه به دانشمندان کمک کنند، پرداخته‌ایم.

مجموعه داده‌های عظیم جمع‌آوری شده از وضعیت جوی زمین پیش‌بینی رویداد‌های آینده را بسیار دشوار می‌کند. مدل‌های کامپیوتری فعلی تنها برای نظارت و هشدار در مورد پدیده‌های بزرگ در نظر گرفته شده‌اند و شامل مواردی نظیر چگونگی گرم شدن جو زمین توسط خورشید، چگونگی تأثیر تغییر اختلاف فشار روی الگو‌های باد و چگونگی تغییر حالت آب (یخ به آب و سپس به بخار) بر جریان انرژی جو زمین است.

آن‌ها همچنین چرخش زمین در فضا را در نظر می‌گیرند چرا که هر تغییر کوچکی در یک متغیر می‌تواند رویداد‌های آینده را تغییر دهد. اینجا همان جایی است که هوش مصنوعی می‌تواند برای بهبود دقت و قابل اطمینان بودن پیش‌بینی آب و هوا به کار گرفته شود.

هوش مصنوعی می‌تواند برای استفاده در برنامه‌های ریاضی کامپیوتری و روش‌های حل مسائل محاسباتی در مجموعه داده‌های وسیع برای شناسایی الگو‌ها و ایجاد یک فرضیه مناسب و تعمیم داده‌ها مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به پیچیدگی ذاتی پیش‌بینی آب و هوا، دانشمندان در حال حاضر از هوش مصنوعی برای پیش‌بینی آب و هوا استفاده می‌کنند تا سریعاً نتایج خالص و دقیق به دست آید.

هوش مصنوعی با استفاده از مدل‌های ریاضی یادگیری عمیق می‌تواند از پرونده‌های آب و هوایی گذشته برای پیش‌بینی آینده یاد بگیرد. شرکت‌های مختلف در حال حاضر به شدت در حال سرمایه‌گذاری روی هوش مصنوعی در پیش‌بینی آب و هوا هستند.

یکی از قدرتمندترین ابزار‌های هواشناسی ماهواره‌های زیست‌محیطی است. سازمان ملی اقیانوسی و جوی آمریکا (NOAA) دارای سه نوع ماهواره هواشناسی است که آب و هوای سراسر زمین را تحت نظر دارند. یکی از این ماهواره‌ها ماهواره گردش قطبی است که در ارتفاع تقریبی ۸۰۵ کیلومتری زمین مستقر است.

این ماهواره‌ها به طور مداوم زمین را ۱۴ بار در روز قطب به قطب دور می‌زنند تا بدین ترتیب هر قسمت از سیاره زمین دو بار در روز به طور کامل تحت نظر قرار بگیرد. این کار ماهواره‌ها را قادر می‌سازد مجموعه داده‌های عظیمی را در مورد جو زمین به صورت کامل از جمله ابر‌ها و اقیانوس‌ها با وضوح بسیار بالا فراهم کنند.

هواشناسان با استفاده از این نوع داده‌ها به طور نظری قادر به پیش‌بینی الگو‌های آب و هوایی بلندمدت هستند. این داده‌ها برای ارزیابی کیفیت هوا در طول زمان بسیار مفید هستند. این اطلاعات در مدل‌های هواشناسی گنجانده می‌شود که به نوبه خود به پیش‌بینی‌های دقیق‌تری از آب و هوا منجر می‌شود.

ابزار‌های دیگر همچنین می‌توانند برای تعیین دمای سطح دریا مورد استفاده قرار گیرند که یک عامل مهم دیگر در پیش‌بینی آب و هوا در دراز مدت است. سپس این داده‌ها می‌توانند برای پیش‌بینی آب و هوا از جمله تغییرات فصلی در مقیاس بزرگ استفاده شوند.

آن‌ها همچنین اطلاعاتی را برای کمک به پیش‌بینی شرایط آب و هوایی خطرناک مانند طوفان، گردباد، سیل و کولاک شدید پیش از وقوع جمع‌آوری می‌کنند.

این داده‌ها همچنین برای کمک به ارزیابی خطرات محیطی مانند خشکسالی، آتش‌سوزی جنگل‌ها و سیل مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوع دیگری از ماهواره‌ها که توسط هواشناسان استفاده می‌شود، ماهواره‌های فضای عمیق نامیده می‌شود.

به عنوان مثال ماهواره "DSCOVR" در مدار یک میلیون مایلی (یک میلیون و ۶۰۹ هزار کیلومتری) زمین قرار دارد. این نوع از ماهواره‌ها هشدار‌ها و پیش‌بینی‌ها در مورد خطرات فضایی را فراهم می‌کنند و بر انرژی خورشیدی که هر روز جذب زمین می‌شود، نظارت می‌کنند. "DSCOVR" همچنین قادر به ثبت اطلاعات در مورد سطح ازن و سطح هواژل موجود در جو است. نوع دیگر ماهواره این سازمان ماهواره زمین ثابت است.

این نوع ماهواره دارای یک مدار زمین ثابت است. خاصیت منحصر به فردی که این ماهواره‌ها دارند این است که می‌توانند دقیقاً در همان موقعیت ثابت آسمانی که از هر مکان ثابت روی زمین مشاهده می‌شوند، ثابت بمانند.

چندی پیش نیز ناسا ماهواره سنتینل -۶ مایکل فرایلیچ را از پایگاه نیروی هوایی وندربرگ اسپیس لانچ در کالیفرنیا به مدار پرتاب کرد. ناسا گفت که هدف اساسی سنتینل-۶ اندازه‌گیری سطح اقیانوس‌ها است. هر روز پرتاب ماهواره انجام نمی‌شود بنابراین جمع آوری اطلاعات مفیدتر درباره اقیانوس‌ها و جو بسیار مهم است.

سنتینل-۶ حاصل همکاری ایالات متحده و اروپا است. سنتینل-۶ یکی از دو ماهواره‌ای است که مأموریت کوپرنیکس سنتینل-۶/جیسون-سی اس را تشکیل می‌دهد. همچنین قرار است در این ماموریت اطلاعاتی جمع‌آوری شود تا به پیش‌بینی هوا، تغییرات دما در جو و رطوبت بپردازد.

در این پروژه از دو ماهواره تحت عناوین "سنتینل-۶آ" و "سنتینل-۶بی" استفاده خواهد شد که به فاصله پنج سال از هم پرتاب خواهند شد. ماهواره مذکور به افتخار مایکل فرایلیچ مدیر سابق بخش علوم زمین ناسا که در پیشرفت اندازه گیری‌های اقیانوس‌های فضایی نقش مهمی داشته نامگذاری شده است.

دانشمندان در حال توسعه یک "دوقلوی دیجیتال" زمین هستند تا به کمک آن بتوانند وقایع مربوط به گرمایش جهانی که در آینده رخ خواهد داد را پیش‌بینی کنند.

اخیرا در بیانیه مطبوعاتی مؤسسه فناوری فدرال زوریخ آمده است که نسخه دیجیتالی کل زمین به آن‌ها امکان می‌دهد بتوانند تمام سناریو‌ها را بررسی کنند تا پیش‌بینی کنند که در آینده چه چیزی رخ خواهد داد. به گفته محققان این سیستم از چارچوب روش شناختی مرتبط در پیشرفت‌های استثنایی در پیش‌بینی عددی آب و هوا استفاده خواهد کرد.

هدف این است که این مدل بتواند تأثیرات سیاست‌های اقلیمی و سایر عوامل را قبل از وقوع بررسی کند که این موضوع بهترین راه برای کاهش اثرات گرمایش جهانی است.

اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده آمریکا سیستمی تحت عنوان "سیستم پردازش اطلاعات پیشرفته هواشناسی" (AWIPS) را توسعه داده است.

"سیستم پردازش اطلاعات پیشرفته هواشناسی" (AWIPS)، یک سیستم پردازش رایانه‌ای است که داده‌های جمع‌آوری شده توسط تمام ابزار‌های پیشین را به یک رابط گرافیکی متصل می‌کند و هواشناسان نیز از آن برای تجزیه و تحلیل داده‌ها و پیش‌بینی آب و هوا استفاده می‌کنند.

این سیستم از ابر رایانه‌های این اداره، برای پردازش داده‌ها از رادار داپلر، رادیوسوندها، ماهواره‌های هواشناسی و سیستم‌های مشاهده خودکار سطح زمین استفاده می‌کند. پس از اینکه هواشناسان پیش‌بینی‌ها را آماده می‌کنند، سیستم پردازش اطلاعات پیشرفته هواشناسی، گرافیک آب و هوا و ساعت‌ها و هشدار‌های خطرناک آب و هوا را ایجاد می‌کند.

همه این‌ها کمک می‌کند تا هواشناسان بتوانند سریع‌تر و دقیق‌تر از همیشه وضعیت آب و هوایی را پیش‌بینی کنند. علاوه بر این"سیستم‌های مشاهده خودکار سطح زمین" (ASOS) به طور مداوم بر شرایط آب و هوایی سطح زمین نظارت می‌کنند.

داده‌هایی که توسط "سیستم‌های مشاهده خودکار سطح زمین" جمع آوری می‌شوند برای بهبود وضعیت پیش‌بینی هوا و هشدار‌ها ضروری هستند.