كيف يعمل التنبؤ بالطقس
كل توقع تراه على هاتفك يبدأ بالطريقة نفسها: آلاف الأجهزة تقيس الغلاف الجوي في اللحظة نفسها تقريبًا، ثم يدمج حاسوب هذه القياسات في صورة للكوكب كله، ويحسب نموذج مبني على قوانين الفيزياء كيف ستتغير هذه الصورة. بعد ذلك يحوّل الإحصاء والمتنبئون الناتج الخام إلى الأرقام التي تقرؤها. يتتبع هذا الدليل دورة توقع واحدة من بدايتها إلى نهايتها.
الخطوة 1: قياس الغلاف الجوي
لا يمكن أن يكون التوقع أفضل من نقطة انطلاقه، ولهذا تتبادل هيئات الأرصاد أرصادها حول العالم عبر المنظمة العالمية للأرصاد الجوية. والمصادر الرئيسية هي:
| المصدر | ما يقيسه | حقائق أساسية |
|---|---|---|
| الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض | السحب وبخار الماء والعواصف وحرارة السطح | على ارتفاع نحو 35,800 كم، يراقب كل قمر الجزء نفسه من الكرة الأرضية. الثنائي الأمريكي هو GOES-19 (GOES-East، عامل منذ 7 أبريل 2025) وGOES-18 (GOES-West، منذ يناير 2023)؛ وتشغّل أوروبا Meteosat واليابان Himawari. |
| الأقمار القطبية المدار | المقاطع الرأسية للحرارة والرطوبة | مدارات أدنى تمر قرب القطبين؛ يرى كل قمر معظم الأماكن نحو مرتين يوميًا. |
| بالونات الأرصاد | الحرارة والرطوبة والضغط والرياح مع الارتفاع | تطلق قرابة 900 محطة مسابير لاسلكية موقّتة على الساعتين 00 و12 UTC. وتتجاوز البالونات عادةً 100,000 قدم (نحو 30 كم) في رحلات قد تستمر أكثر من ساعتين. |
| المحطات السطحية والسفن والعوامات | الضغط والحرارة والرياح والمطر ومدى الرؤية | ترسل المطارات والمحطات الآلية تقاريرها كل ساعة أو على فترات أقصر. |
| الطائرات | الحرارة والرياح على طول مسارات الطيران | ترسل الطائرات التجارية بياناتها تلقائيًا عبر برنامج AMDAR. |
أصبح GOES-16، الذي عمل بصفته GOES-East منذ 2017، قمرًا احتياطيًا في المدار. والأدلة القديمة التي ما زالت تذكره قمرًا عاملًا لم تعد محدّثة.
الخطوة 2: استيعاب البيانات
الأرصاد غير متوازنة التوزيع. فهي تتركز فوق اليابسة وعلى طول خطوط الطيران، وتترك فجوات كبيرة فوق المحيطات والقطبين. كما أنها تقيس أشياء مختلفة على ارتفاعات وفي أوقات مختلفة. يعالج استيعاب البيانات ذلك بالانطلاق من توقع النموذج نفسه قصير المدى للحظة نفسها («التخمين الأولي») ثم تقريبه من الأرصاد، مع إعطاء كل رصد وزنًا بحسب دقته المعروفة. والنتيجة، التي تُسمى «التحليل»، صورة ثلاثية الأبعاد كاملة للغلاف الجوي في لحظة البداية.
والحجم هائل. إذ يذكر المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) أن مئات الملايين من الأرصاد يجب تصفيتها ودمجها كل يوم مع توقعات حديثة قصيرة المدى.
الخطوة 3: تشغيل النموذج
يقسم نموذج التنبؤ العددي بالطقس الغلاف الجوي إلى شبكة ثلاثية الأبعاد. وفي كل خلية يحل معادلات الحركة والديناميكا الحرارية والرطوبة ليحسب كيف ستتغير الرياح والحرارة والضغط والرطوبة خلال خطوة زمنية قصيرة. ثم يكرر الحساب خطوة بعد خطوة حتى نهاية التوقع. أما العمليات الأصغر من الخلية، مثل السحب أو الزخات المفردة، فلا يمكن حلها مباشرة، لذا يمثّل النموذج أثرها المتوسط بمخططات مبسّطة تُسمى «التمثيلات البارامترية».
يعمل نظام التنبؤ المتكامل (IFS) لدى ECMWF بتباعد شبكي يبلغ نحو 9 كم منذ تحديث 27 يونيو 2023 (الدورة 48r1)، مع 137 مستوى رأسيًا. أما النماذج الإقليمية فتعمل على مناطق أصغر بدقة بضعة كيلومترات أو أقل، ما يتيح لها إظهار العواصف الرعدية المفردة وأثر التلال والسواحل.
مثال محلول: ما حجم نموذج عالمي بدقة 9 كم؟
- يصف ECMWF شبكته ذات الـ 9 كم بأنها 1,280 خط عرض بين كل قطب وخط الاستواء، مع 20 نقطة على أقرب خط إلى القطب، تزيد 4 نقاط في كل خط تالٍ حتى تبلغ 5,136 عند خط الاستواء.
- عدد النقاط في كل نصف كرة: 1,280 × 20 + 4 × (1,279 × 1,280 ÷ 2) = 3,299,840. وبالمضاعفة لنصفي الكرة نحصل على 6,599,680 عمودًا.
- ومع 137 مستوى، يصبح العدد 6,599,680 × 137 = نحو 904 ملايين خلية.
- وبالخطوة الزمنية القياسية البالغة 450 ثانية (7.5 دقيقة)، يحتاج توقع لمدة 15 يومًا إلى 15 × 24 × 3,600 ÷ 450 = 2,880 خطوة، تحدّث كل منها جميع الخلايا.
لهذا يحتاج التنبؤ إلى حواسيب فائقة. فنظام Atos لدى ECMWF في بولونيا بإيطاليا يضم أكثر من مليون معالج، وتبلغ قدرته نحو 30 بيتافلوب (3 × 10¹⁶ عملية حسابية في الثانية).
الخطوة 4: المجموعات تقيس عدم اليقين
الأرصاد ليست مثالية أبدًا، والغلاف الجوي نظام فوضوي: الأخطاء الصغيرة في الصورة الأولية تكبر مع تقدم التوقع. لذا لا تكتفي مراكز التنبؤ بتشغيل واحد، بل تشغّل أيضًا «مجموعة» من التوقعات: تضم المجموعة متوسطة المدى لدى ECMWF واحدًا وخمسين عضوًا، هي تشغيل «مرجعي» دون تعديل و50 تشغيلًا تبدأ من ظروف معدّلة قليلًا، وكلها بالدقة نفسها البالغة 9 كم وحتى 15 يومًا. عندما تتفق الأعضاء تكون الثقة عالية، وعندما تتباعد يكون التوقع غير مؤكد. ويشرح مقالنا عن صعوبة التنبؤ بالطقس بعد 7 أيام (بالإنجليزية) كيف تعمل المجموعات وكيف تتحول إلى احتمالات.
الخطوة 5: من ناتج النموذج إلى توقعك
للناتج الخام للنماذج انحيازات معروفة. فخلية بطول 9 كم تُسطّح واديًا يتجمع فيه الهواء البارد أو ساحلًا تنشأ عنده نسائم البحر، لذا تصحح هيئات الأرصاد الناتج إحصائيًا بمقارنة التوقعات السابقة بما رُصد فعلًا في كل مكان. وفي الولايات المتحدة تؤدي طريقة إحصاءات ناتج النموذج (MOS) هذا الدور منذ عقود. ثم يراجع المتنبئون هذه الإرشادات ويقارنون النماذج ويكتبون التحذيرات.
واحتمال المطر مثال جيد على هذه الخطوة الأخيرة. فالنسبة المنشورة هي تقدير المتنبئ، تستنير بالمجموعة لكنها ليست مجرد تصويت بين تشغيلات النموذج. ويشرح دليلنا عن كيفية قراءة توقعات الطقس معناها وطريقة حسابها.
وتأتي التطبيقات في نهاية السلسلة. تعرض صفحة الطقس في هويوبين توقعات من WeatherAPI.com: الأحوال الحالية وتوقعات لثلاثة أيام لأي مدينة. ولا تنشر WeatherAPI النماذج التي تدمجها، لذا لا ندّعي معرفتها.
إلى أي مدى يمكنك الوثوق بالتوقع؟
خلاصة القول: تقول القاعدة التقريبية لدى NOAA إن توقع الأيام الخمسة يصيب نحو 90% من المرات، وتوقع الأيام السبعة نحو 80%، أما توقع العشرة أيام فأكثر فيصيب نحو نصف المرات فقط. وقد تحسنت الدقة بنحو يوم واحد كل عقد، لكن الفوضى تفرض سقفًا يقارب أسبوعين لطقس كل يوم بيومه. ويتناول مقال صعوبة التنبؤ بالطقس بعد 7 أيام (بالإنجليزية) هذه الأرقام والفوضى الكامنة وراءها وكيفية الاستفادة من كل مدى.
باختصار
- تبدأ التوقعات من ملايين الأرصاد المأخوذة في أوقات ثابتة، في مقدمتها الأقمار الصناعية، والبالونات عند الساعتين 00 و12 UTC، والمحطات السطحية، والطائرات.
- يدمجها استيعاب البيانات مع توقع قصير المدى في صورة ابتدائية واحدة متسقة.
- تعمل النماذج العالمية مثل نموذج ECMWF الآن بشبكة نحو 9 كم و137 مستوى؛ والنماذج الإقليمية أدق.
- مجموعات من تشغيلات كثيرة، 51 تشغيلًا لدى ECMWF، تقيس مدى عدم اليقين في التوقع.
- يحوّل الإحصاء والمتنبئون ناتج النموذج إلى توقعك، بما في ذلك احتمال المطر.
- ثِق بخمسة أيام، واستخدم سبعة للنمط العام، واعتبر عشرة أيام فأكثر مجرد مؤشر.
الأسئلة الشائعة
ما مدى دقة توقعات الطقس؟
وفق NOAA، يصيب توقع الأيام الخمسة نحو 90% من المرات، وتوقع الأيام السبعة نحو 80% من المرات، أما توقع العشرة أيام فأكثر فيصيب نحو نصف المرات فقط. ولمعرفة السبب راجع صعوبة التنبؤ بالطقس بعد 7 أيام (بالإنجليزية).
ما الأقمار الصناعية المستخدمة في التنبؤ بالطقس؟
كثيرة. في المدار الثابت بالنسبة للأرض تشغّل الولايات المتحدة GOES-19 بصفته GOES-East (منذ 7 أبريل 2025) وGOES-18 بصفته GOES-West، إلى جانب Meteosat الأوروبي وHimawari الياباني. وتضيف الأقمار القطبية المدار مقاطع للحرارة والرطوبة حول العالم. أما GOES-16 فأصبح احتياطيًا.
ما الدقة التي تعمل بها النماذج العالمية؟
يعمل النموذج العالمي لدى ECMWF ومجموعته المؤلفة من 51 عضوًا بدقة نحو 9 كم منذ يونيو 2023، مع 137 مستوى رأسيًا. وتعمل النماذج الإقليمية بدقة بضعة كيلومترات أو أقل فوق مناطق أصغر.
المصادر
- How reliable are weather forecasts? — NOAA NESDIS
- NOAA's GOES-19 now operational as GOES East — NOAA NESDIS
- IFS upgrade brings many improvements and unifies medium-range resolutions — ECMWF (PDF)
- Medium-range ensemble forecasts — دليل مستخدم توقعات ECMWF
- Landmark in forecast performance — ECMWF
- Predictability limit: scientists find bounds of weather forecasting — جامعة ولاية بنسلفانيا