لماذا لا يمكن التنبؤ بالأعاصير بدقة أكبر ✛ ✎

الأصل: "Bound on forecasting skill for models of North Atlantic tropical cyclone counts"
arXiv:2410.05503 · 2024-10-07 · arXiv non-exclusive · تحليل مستقل · 1 دقيقة
توصل العلماء إلى أن التنبؤ بعدد الأعاصير في المحيط الأطلسي قد بلغ بالفعل حد الدقة الذي يستحيل تجاوزه.

كل عام يولد في المحيط الأطلسي عدد مختلف من الأعاصير: أحياناً خمسة، وأحياناً خمسة عشر. حاول العلماء لفترة طويلة معرفة ما إذا كان يمكن التنبؤ بهذا العدد مسبقاً، واستخدموا لذلك ثلاثة عوامل رئيسية: دفء مياه المحيط، وظاهرة النينيو، وتفاوت الضغط الجوي. هذه العوامل الثلاثة تفسر حوالي نصف الاختلاف بين عام وآخر. لكن اتضح مؤخراً أنه لا يمكن تحسين التنبؤ أكثر من ذلك.

حتى النموذج المثالي لا يمكنه التنبؤ بعدد الأعاصير بدقة أفضل من خطأ يبلغ حوالي 2.5 إعصار في المتوسط. الأمر يشبه محاولة تخمين عدد مرات ظهور وجه العملة عند رميها: هناك حد للدقة تفرضه العشوائية نفسها.

تحقق العلماء من ذلك باستخدام بيانات تمتد على 140 عاماً. أخذوا نموذجاً بسيطاً بثلاثة عوامل وقارنوه بأساليب معقدة للغاية تستخدم خرائط حرارة المحيط بأكمله. واتضح أن النموذج البسيط والمعقد يخطئان بنفس القدر: حوالي 2.5 إعصار. وهذا يعني أن التعقيد الإضافي لا يساعد. السبب هو أن الأعاصير نفسها تنشأ بشكل عشوائي، مثل الأحداث النادرة، وهذه العشوائية لا يمكن تجاوزها بأي حسابات.

الآن يفكر الباحثون في الاتجاهات المستقبلية. ربما توجد روابط خفية بين الأعوام المتتالية لم يتم رصدها بعد. أو ربما ينبغي التخلي عن افتراض أن الأعاصير تنشأ بشكل مستقل عن بعضها البعض. لكن حتى الآن تظهر جميع الاختبارات أن العشوائية عشوائية فعلاً، وأن سقف الدقة قد بلغ. بالنسبة للأشخاص الذين يعيشون على السواحل، هذه معرفة مهمة: من الأفضل الاستعداد لتقلبات العدد بدلاً من انتظار معجزة من أجهزة الكمبيوتر.

متوسط عدد الأعاصير في الموسم الواحد في المحيط الأطلسي حوالي عشرة، ولكن بسبب الطبيعة البواسونية للعملية، يبلغ التباين من عام لآخر حوالي ثلاثة أعاصير. وهذا يعني أنه حتى النموذج المثالي لا يمكنه التنبؤ بالعدد الدقيق بدقة أفضل من خطأ يبلغ حوالي 2.5 إعصار في المتوسط.

في رواية كيم ستانلي روبنسون «أربعون علامة للمطر»، يحاول العلماء تحسين التنبؤات بالطقس المتطرف، مواجهين الفوضوية في الغلاف الجوي. هنا وضع مشابه: حتى مع المعرفة الكاملة بالمؤشرات المناخية، تبقى عشوائية لا يمكن التغلب عليها بأي حسابات.

\mathrm{err}(z, \lambda) = \sum_{y \ge 0} |y - z| \, P(y|\lambda)
متوسط انحراف العدد المتوقع للأحداث عن العدد الملاحظ، مقسوماً على توزيع بواسون.
b(z) = \min_{\lambda} \mathrm{err}(z, \lambda)
أصغر خطأ ممكن عندما تكون الشدة غير معروفة لكنها ثابتة.
B = \frac{1}{n} \sum_{t=1}^{n} b(y_t)
حساب المتوسط عبر جميع الملاحظات يعطي الحد الأدنى النظري لمتوسط الخطأ المطلق لأي نموذج بواسون.
العلماء
Max PlanckClaude ShannonJohn von NeumannLudwig BoltzmannJosiah Willard GibbsAndrey Markov
المفاهيم
spring predictability barrier NOAA CPC El Niño index ERSST ENSO Oceanic Niño index Jin-Timmermann model TAO/TRITON moorings relative ONI tropical cyclone Southern Oscillation La Niña North Equatorial Countercurrent recharge oscillator model Pacific decadal oscillation natural variability seasonal cycle NOAA PMEL / TAO forecast skill Warm water volume