Prognoza pogody - przewidywanie czasowych i przestrzennych zmian stanu atmosfery. Prognozy pogody można sklasyfikować w zależności od czasu prognozy, obszaru, i sposobu prognozy.

Podstawowe parametry opisujące stan atmosfery to ciśnienie, temperatura, prędkość i kierunek wiatru. Związane z nimi wielkości takie jak zachmurzenie, zamglenie, stan morza, zanieczyszczenia atmosferyczne także są elementami prognozy pogody i często zależą od prognozy podstawowych elementów.

Prognoza pogody zależy od ilości i jakości danych początkowych. Ze względu na chaotyczną naturę procesów opisujących rozwój zjawisk atmosferycznych prognoza pogody staje się z czasem coraz mniej dokładna.

Historia prognoz pogody

Mapa pogody Europy, 10 grudnia 1887

Przez tysiące lat ludzie starali się przewidywać pogodę. Około 340 p.n.e. Arystoteles opisał zjawiska pogodowe w pracy "Meteorologica". W Chinach prognoza pogody był praktykowana przynajmniej od 300 p.n.e. Starożytne metody polegały zazwyczaj na lokalnych obserwacjach. Np. czerwone słońce o zachodzie zazwyczaj zwiastowało dobrą pogodę następnego dnia. Ta lokalna wiedza o pogodzie tworzona była przez stulecia. Dopiero wynalazek telegrafu w 1837 zapoczątkował nowoczesny rozwój prognoz pogody głównie ze względu na możliwość zebrania początkowych danych jednocześnie w czasie. Dwóch naukowców jest uznawanych za pionierów prognoz pogody. Francis Beaufort (słynny ze swej skali Beauforta) i Robert FitzRoy. Obydwaj mieli duże wpływy w Brytyjskiej Marynarce Wojennej. Chociaż ich wysiłki były ośmieszane w prasie tego okresu, to ich idee zostały zaakceptowane przez środowiska naukowe i stanowią podstawy współczesnych prognoz pogody. W XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój meteorologii jako dziedziny wiedzy. Idea numerycznej prognozy pogody (NPP) została zapoczątkowana przez angielskiego naukowca i pacyfistę Lewisa Richardsona w 1922 roku. Niestety jego schemat obliczeniowy był niewłaściwy, a obliczenia wykonywano ręcznie. Dopiero konstrukcja komputerów po II wojnie światowej i rozwój metod numerycznych umożliwiły gwałtowny rozwój NPP i ich operacyjny charakter.

Klasyfikacja prognoz pogody

Czas

Prognozy na teraz stosowane są np w żeglarstwie olimpijskim, tutaj istotne jest przewidzenie pierwszej zmiany wiatru czy częstotliwości zmian wiatru przez następne kilka godzin. Tego typu prognozy są często używane w natychmiastowych decyzjach z ważnymi lub mniej ważnymi konsekwencjami (np. czy wystrzelić prom kosmiczny na orbitę lub czy zabrać rano parasol). Prognozy krótkoterminowe (0-3 dniowe) są obecnie najczęściej dawane przez narodowe ośrodki prognoz takie jak polski Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, brytyjski Met Office, czy francuską Meteo France. W Polsce prognozę krótkoterminową daje także Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego. Prognozy krótkoterminowe opracowane są na podstawie (a) analizy danych meteorologicznych, (b) analizy zdjęć satelitarnych, (c) analizy innych aktywnych i pasywnych metod teledetekcyjnych, (d) na podstawie modeli numerycznych wykorzystujących podstawowe opisy fizyczne przepływu powietrza, (e) oraz na podstawie subiektywnych ocen osoby stawiającej prognozę. Prognozy średnioterminowe (5-7 dni) są w Europie dawane przez Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF) z siedzibą w Anglii. Jakość prognoz średnioterminowych i krótkoterminowych ma olbrzymi wpływ na ekonomię, zwłaszcza w naszych szerokościach geograficznych. Ze względu na chaotyczny przepływ powietrza nad Ziemią prognozy średnioterminowe mają mniejszą sprawdzalność niż prognozy "na teraz" i prognozy krótkoterminowe. Istnieje też dział meteorologii zajmujący się klimatologią synoptyczną, dziedziną pośrednią pomiędzy prognozami średnioterminowymi a prognozami ogólnej zmiany klimatu.

Prognozy długoterminowe i klimatologia synoptyczna

Mimo że prognozy długoterminowe mają mniejszą sprawdzalność to pewne elementy pogodowe można prognozować w skali sezonu. Dla przykładu, prognoza ilości cyklonów tropikalnych na Atlantyku jest regularnie opracowywana i ma dobrą sprawdzalność. W zachodnich Stanach Zjednoczonych pewne sezonalne oceny takie jak intensywność opadu zależą od zjawisk wielkoskalowych determinowanych przez fazę El Niño/La Niña i mogą być przewidywane na skali sezonu. Prognozy długoterminowe i związana z nimi klimatologia synoptyczna mają olbrzymie znaczenie ekonomiczne w przewidywaniu m.in. plonów zbóż.

Opis klimatu i prognozy ogólnych zmian klimatu dotyczą tych samych elementów stanu atmosfery – wiatr, ciśnienie, temperatura ale skale czasowe są znacznie dłuższe i bezpośredni wpływ na pogodę mają zjawiska o skali astronomicznej (teoria Milankowicza) czy dziesięcioletniej. Mimo że prognozowane są te same parametry, to prognozą pogody w skali wielu lat zajmuje się osobny dział meteorologii, są to badania klimatu i ogólnej zmiany klimatu.

Obszar

Lokalna prognoza pogody podawana jest dla określonej miejscowości lub nawet miejsca. Dla przykładu w czasie zawodów żeglarskich różnica w kierunku wiatru przy brzegu i na środku akwenu może stanowić istotny element prognozy. Mezoskalowe prognozy pogody są na skali kilkuset kilometrów. Np. ocena wystąpienia w danym dniu bryzy morskiej jest prognozą mezoskalowa. W skali kilku krajów europejskich mówimy o prognozie regionalnej lub mezoskalowej. Prognozy globalne dawane są dla całej kuli ziemskiej.

Metody

Metoda oparta na akumulacji wiedzy lokalnej lub przekazu ustnego jest często skuteczna - chociaż prognoza jutro będzie tak jak dziś sprawdza się w 70%. Metoda synoptyczna oparta jest na zgromadzeniu danych początkowych z rozmaitych źródeł. Dane są systematyzowane i nanoszone na mapy synoptyczne. Z kilku poprzednich map pogody, na podstawie zrozumienia zjawisk pogodowych, oraz na podstawie subiektywnej oceny synoptyk ocenia zmiany jakie nastąpią. Nowoczesną metodą prognoz pogody są modele numeryczne. Modele najczęściej oparte są na metodach statystycznych lub na podstawowych zasadach fizyki.

Dane meteorologiczne

Pomiary parametrów meteorologicznych odbywa się bezpośrednio lub metodami pośrednimi czyli teledetekcyjnymi. Tradycyjne obserwacje prędkości wiatru na powierzchni Ziemi, ciśnienia, temperatury, opadu, wyładowań atmosferycznych, pokrywy i rodzaju chmur robione są na stacjach meteorologicznych przez specjalnych obserwatorów lub przez automatyczne stacje pomiarowe. Światowa Organizacja Meteorologiczna (WMO) standaryzuje procedury pomiarowe i sposoby przesyłania danych przez światową sieć meteorologiczną. Ważnym elementem pomiarów są sondaże aerologiczne górnych warstw atmosfery. Polegają one na pomiarach przesyłanych na Ziemię za pomocą sondy meteorologicznej umocowanej do balonu meteorologicznego. Sonda zawiera podstawowe instrumenty takie jak pomiar ciśnienia czy temperatury. Z kolejnych pomiarów położenia balonu można wywnioskować o prędkości i kierunku wiatru. Tego typu synoptyczne, czyli jednoczesne na całym świecie, pomiary wykonywane są przez stacje pomiarowe co 12 godzin (słowo synoptyczny pochodzi od greckich słów syn – w tym samym czasie, i optic – widoczne, czyli widoczne jednocześnie). Podobne sondaże można dostać ze startujących i lądujących samolotów pasażerskich. Duży problem w zbieraniu danych stanowią obszary oceaniczne. Tutaj wykorzystuje się pomiary z boi oceanicznych, z pomiarów ze statków, oraz z pomiarów satelitarnych.

Coraz częściej pomiary bezpośrednie uzupełniane są pomiarami satelitarnymi. Za pomocą pasywnych metod pomiarowych polegających na obserwacji promieniowania elektromagnetycznego (widzialnego, słonecznego, podczerwonego, ultrafioletowego, i mikrofalowego) uzyskuje się informacje na temat rozkładu temperatury na powierzchni oceanu, zmian temperatury z wysokością, oraz kierunku i prędkości wiatru nad powierzchnią oceanu.

Nowymi metodami pomiarów są satelitarne aktywne metody teledetekcji (radar i lidar).

Naziemne techniki teledetekcji dostarczają coraz więcej informacji meteorologicznych. M.in. radary meteorologiczne używane są do oceny opadu w atmosferze, metody akustyczne służą do pomiaru rozkładu temperatury i prędkości wiatru z wysokością, pomiary lidarowe dają informacje na temat ilości i wielkości cząstek zanieczyszczeń w atmosferze.