היסטוריה של המטאורולוגיה

היסטוריה של המטאורולוגיה עוסקת בהתפתחות הידע האנושי בחקר האטמוספירה ותהליכי מזג האוויר, החל מהסברים מיתולוגיים ופילוסופיים בעת העתיקה ועד לשימוש במודלים ממוחשבים ולוויינים בעידן המודרני. התחום, שהחל כניסיון להסביר תופעות טבע בסיסיות, התפתח למדע מדויק המשלב פיזיקה, כימיה ומתמטיקה.
שמאל|ממוזער|ברקים|250px
במשך אלפי שנים התבססה ההבנה המטאורולוגית על תצפיות איכותניות וספקולציות פילוסופיות, כדוגמת "מטאורולוגיקה" של אריסטו. המפנה המדעי הראשוני התרחש בתקופת הרנסאנס ובמהפכה המדעית, עם המצאת מכשירי המדידה המדויקים הראשונים – הברומטר והמד טמפרטורה – שאפשרו לראשונה כימות של לחץ האוויר והטמפרטורה, והובילו להבנת חוקי הגזים.

במאה ה-19, המצאת הטלגרף חוללה מהפכה מעשית שאפשרה איסוף נתונים סימולטני ויצירת מפות סינופטיות, אך היכולת לחזות את מזג האוויר נותרה סובייקטיבית ומוגבלת לטווח קצר ביותר. היכולת לחשב ולחזות את מצב האטמוספירה העתידי באופן אובייקטיבי ומדויק ("חיזוי מזג אוויר נומרי") התאפשרה רק לאחר מלחמת העולם השנייה. פיתוח המחשב האלקטרוני בשנות ה-50 של המאה ה-20 (כדוגמת ה-ENIAC) אפשר לראשונה לפתור את משוואות הזרימה המורכבות של האטמוספירה.

לצד המהפכה החישובית, טכנולוגיות כגון מכ"ם ולוויינים סיפקו תמונת מצב גלובלית, אך גילוי תורת הכאוס ("אפקט הפרפר") על ידי אדוארד לורנץ הבהיר את הגבולות התאורטיים של יכולת החיזוי לטווח הארוך. במאה ה-21, המענה לאתגר זה מגיע מכיוונן של הבינה המלאכותית (AI) והמחשוב הקוונטי; טכנולוגיות אלו מוותרות על הפתרון הפיזיקלי הישיר לטובת זיהוי דפוסים מבוסס-נתונים ועיבוד מקבילי עצום, במטרה למתוח את גבולות החיזוי ולדייק את הערכת אי-הוודאות.

 תצפיות ופילוסופיה של הטבע בעת העתיקה ובימי הביניים 
בעת העתיקה, המונח "מטאורולוגיה" לא התייחס למדע החיזוי המודרני, אלא לתחום רחב בפילוסופיה של הטבע שעסק בחקר "הדברים שברום" (ביוונית: τὰ μετεωρολογικά, נהגה: "טה מטאורולוגיקה"; מילולית: "חקר הדברים התלויים באוויר"). תחום זה כלל לא רק תופעות מזג אוויר כגון רוח וגשם, אלא גם תופעות אסטרונומיות כגון כוכבי שביט ומטר מטאורים, ותופעות גאולוגיות. המעבר מהסברים מיתולוגיים (ייחוס סופות לזעם האלים) להסברים רציונליים-פיזיקליים מסמן את ראשית החשיבה המטאורולוגית.

 המורשת היוונית והרומית 
שמאל|ממוזער|175x175 פיקסלים|אריסטו, מחבר "מטאורולוגיקה"
הפילוסוף היווני אריסטו (384–322 לפנה"ס) נחשב למנסח הראשון של תאוריה מטאורולוגית סדורה. בחיבורו המונומנטלי "מטאורולוגיקה" (Meteorologica), הציג אריסטו מודל המבוסס על תאוריית ארבעת היסודות. לשיטתו, חום השמש גורם לפליטת שני סוגי "אדים" (Exhalations) מפני כדור הארץ:

 אדים לחים: מקורם במים, והם יוצרים את העננים והגשם.
 אדים יבשים (מעין עשן): מקורם באדמה, והם האחראים (לפי אריסטו) ליצירת הרוח, הרעמים, הברקים ואף רעידות האדמה.

הסבריו של אריסטו, אף שרבים מהם הופרכו במדע המודרני, שלטו בכיפה המדעית במשך כאלפיים שנה. תלמידו, תאופרסטוס, השלים את עבודתו בחיבור "על סימני מזג האוויר" (Περὶ σημείων), בו קיבץ לראשונה כללי אצבע עממיים לחיזוי גשם ורוח על פי התנהגות בעלי חיים וצבעי השמיים.

בתקופה הרומית, תרם הגאוגרף פומפוניוס מלה (המאה ה-1 לספירה) להבנת האקלים הגלובלי, כשחילק את כדור הארץ בחיבורו "De chorographia" לחמישה אזורי אקלים: שני אזורים קפואים בקטבים, אזור לוהט בקו המשווה, ושני אזורים ממוזגים המתאימים להתיישבות אנושית.

 ניצני המדידה במזרח ובמערב (המאות ה-15–16) 
עם תום ימי הביניים, החל המוקד לעבור מפרשנות פילוסופית של כתבי אריסטו לניסיונות ראשונים בכימות ומדידה של תופעות הטבע. תקופה זו מגשרת בין העת העתיקה למהפכה המדעית:

 קוריאה (1441): המצאת המד גשם התקני הראשון מיוחסת לנסיך מונג'ונג (Munjong), בנו של המלך סג'ונג הגדול משושלת ג'וסון. המכשיר, שנקרא צ'אוגוגי (Cheugugi), הופץ לכל מחוזות הממלכה כדי ליצור רשת מדידה אחידה לצורכי מיסוי חקלאי מבוסס-יבול.
 אירופה: המלומד האיטלקי לאונה בטיסטה אלברטי תיאר בשנת 1450 את האנמומטר (מד מהירות רוח) המכני הראשון, שהיה בנוי מלוחית נעה. במקביל, הקרדינל והפילוסוף ניקולאס קוזאנוס (Nicholas of Cusa) הציע את עקרון הפעולה של ההיגרומטר (מד לחות) הראשון, המבוסס על שקילת צמר סופח לחות, רעיון ששוכלל מאוחר יותר על ידי לאונרדו דה וינצ'י.

בסוף המאה ה-15, תיעד כריסטופר קולומבוס לראשונה סופות ציקלון טרופי במהלך מסעותיו לאמריקה (1495), תצפית שהרחיבה את הידע האירופי על מזג האוויר העולמי.

התפתחות המטאורולוגיה בעת החדשה המוקדמת
במהלך ימי הביניים התבסס חקר הטבע בעיקר על פרשנות כתבי הקדמונים ופחות על ניסויים אמפיריים. המפנה הדרמטי התרחש בתקופת הרנסאנס ובמהפכה המדעית (המאות ה-16 וה-17), אז החל המעבר מתיאורים איכותיים ("חם", "קר", "יבש") למדידה כמותית מדויקת באמצעות מכשירים ייעודיים.

 המצאת התרמומטר והברומטר 
שמאל|ממוזער|253x253 פיקסלים|מד טמפרטורה המבוסס על עקרונות גלילאו (שחזור מודרני)
גלילאו גליליי (1564–1642) נחשב לחלוץ המדידה המטאורולוגית. סביב שנת 1593 בנה גלילאו את התרמוסקופ – מכשיר המבוסס על התפשטות והתכווצות אוויר בתוך כדור זכוכית המחובר לצינורית מים. המכשיר אפשר להבחין בשינויי טמפרטורה, אך סבל מחיסרון משמעותי: הוא היה מושפע גם משינויים בלחץ האוויר, מה שמנע כיול אחיד. הפתרון לבעיה זו נמצא על ידי פרדיננדו השני דה מדיצ'י בשנת 1654. הדוכס, שהיה חובב מדע, יצר את התרמומטר הראשון שהיה אטום הרמטית (מכיל כוהל), ובכך נטרל את השפעת לחץ האוויר ויצר את כלי המדידה התקני הראשון.
שמאל|ממוזער|200x200 פיקסלים|פסלו של טוריצ'לי, ממציא הברומטר
תלמידו של גלילאו, אוונג'ליסטה טוריצ'לי (1608–1647), אחראי לאחת התגליות החשובות בתולדות המטאורולוגיה: גילוי הלחץ האטמוספירי. בשנת 1643 ביצע טוריצ'לי את "ניסוי הכספית" המפורסם: הוא מילא צינור זכוכית בכספית והפך אותו לתוך קערה. הכספית בצינור ירדה מעט ונעצרה בגובה של כ-76 ס"מ, כשהיא מותירה ריק ("ריק טוריצ'לי") בראש הצינור. טוריצ'לי הסיק נכונה כי מה שמחזיק את עמוד הכספית הוא משקל האוויר הלוחץ על הקערה. בכך המציא את הברומטר.

טוריצ'לי טבע את המשפט המפורסם: "אנו חיים בתחתיתו של אוקיינוס של אוויר", והבחין כי גובה הכספית משתנה מעט מיום ליום, מה שאיפשר לקשר לראשונה בין ירידת לחץ אוויר לבואן של סופות.

 הוכחת שינוי הלחץ עם הגובה 
המדען הצרפתי בלז פסקל (1623–1662) ביקש לאמת את השערתו של טוריצ'לי. הוא שיער שאם האוויר הוא בעל משקל, הרי שככל שנעלה גבוה יותר – שכבת האוויר שמעלינו תקטן והלחץ ירד. בשנת 1648, בניסוי שנערך בהר פוי דה דום (Puy de Dôme) בצרפת, מדד גיסו של פסקל את גובה הכספית בתחתית ההר ובפסגתו, והוכיח כי הלחץ אכן יורד עם הגובה. תגלית זו הניחה את היסודות להבנת המבנה האנכי של האטמוספירה.

 חקר הגזים והרוחות 
במחצית השנייה של המאה ה-17 התרחב המחקר לתחומים נוספים:

 חוקי הגזים: המדען האנגלי רוברט בויל והצרפתי אדם מריוט ניסחו (בנפרד) את חוק בויל-מריוט, הקובע את היחס ההפוך בין נפח גז ללחץ שלו (בטמפרטורה קבועה). הבנה זו הייתה קריטית לחישובים מטאורולוגיים עתידיים.

 מדידת הרוח: המדען הרב-תחומי רוברט הוק שיפר ב-1667 את האנמומטר (מד רוח) והמציא לוחית נעה המודדת את עוצמת הרוח לפי זווית הטייתה.
 הסירקולציה הגלובלית: האסטרונום אדמונד היילי פרסם ב-1686 מאמר מכונן ובו המפה המטאורולוגית הראשונה של רוחות הסחר והמונסונים. היילי זיהה כי המנוע העיקרי של הרוחות הוא החימום הדיפרנציאלי של כדור הארץ על ידי השמש (אזור קו המשווה מתחמם יותר מהקטבים), מה שגורם לעליית אוויר חם ולתנועת אוויר מאזורים קרים לחמים.

 המאה ה-18: הרחבת התצפית והתאוריה 
במהלך המאה ה-18 השתכללו התאוריות לגבי הדינמיקה של האטמוספירה והחלו ניסיונות ראשונים לתיאום בינלאומי:

 מודל הסירקולציה של האדלי: בשנת 1735 פרסם עורך הדין והחובב המדעי ג'ורג' האדלי את המאמר "לגבי הסיבה לרוחות הסחר". הדלי הבין כי המודל של היילי (שייחס את הרוחות להבדלי טמפרטורה בלבד) אינו שלם משום שאינו לוקח בחשבון את סיבוב כדור הארץ. האדלי היה הראשון להציע שרוחות הנעות מקו המשווה לקטבים יוסטו מזרחה או מערבה בשל הסיבוב, ובכך הניח את היסודות להבנת כוח קוריוליס (שנוסח מתמטית רק במאה ה-19). תאי הזרימה הטרופיים נקראים עד היום על שמו - "תא הדלי".

 תנועת הסופות (פרנקלין): המדינאי והמדען בנג'מין פרנקלין נחשב לראשון שהבין כי מערכות מזג אוויר הן דינמיות ונעות במרחב. בשנת 1743 ביקש פרנקלין לצפות בליקוי ירח מביתו בפילדלפיה, אך סופה (הוריקן) הסתירה את השמיים. להפתעתו, גילה מאוחר יותר כי אחיו בבוסטון (צפונית-מזרחית לו) ראה את הליקוי ורק לאחר מכן הגיעה הסופה. פרנקלין הסיק מכך שסופות יכולות לנוע בכיוון הפוך לכיוון הרוחות הנושבות בתוכן, תובנה שהיא הבסיס לחיזוי סינופטי.

 רשת התצפיות הראשונה (Palatina): בשנת 1780 הוקמה במנהיים שבגרמניה "האגודה המטאורולוגית של פפאלץ" (Societas Meteorologica Palatina). האגודה חילקה מכשירים מדויקים וכיולים לתחנות ברחבי אירופה (ואף באמריקה וברוסיה), וקבעה לראשונה "שעות תקן" למדידה סימולטנית. המידע שנאסף פורסם בשנתונים (Ephemerides) והיווה את בסיס הנתונים האקלימי הראשון בעולם.

 המאה ה-19: לידת המפה הסינופטית ופיזיקת האטמוספירה 
במהלך המאה ה-19 הפכה המטאורולוגיה ממדע תיאורי למדע פיזיקלי-מתמטי. שילוב של תגליות בתחום התרמודינמיקה ומכניקת הזורמים יחד עם מהפכת הטלגרף, אפשר לראשונה לא רק לתעד את מזג האוויר, אלא לנסות ולחזות אותו בזמן אמת.

 מיון העננים 
שמאל|ממוזער|250x250 פיקסלים|סיווג העננים של לוק הווארד המקובל עד היום
עד ראשית המאה ה-19, עננים נחשבו לתופעות חולפות וחסרות צורה מוגדרת שאינן ניתנות למיון מדעי. בשנת 1803 פרסם הרוקח הבריטי לוק הווארד את המסה "On the Modification of Clouds", בה הציע שיטה טקסונומית מבוססת לטינית (בדומה למיון עולם הטבע של לינאוס). הווארד חילק את העננים לשלוש קבוצות עיקריות: קומולוס (Cumulus - ערימה), סטרטוס (Stratus - שכבה), ו-צירוס (Cirrus - תלתל שיער). שיטתו התקבלה כסטנדרט הבינלאומי ומשמשת את ארגון המטאורולוגיה העולמי עד היום.

 הפיזיקה של הרוח: קוריוליס ופרל 
ההבנה התאורטית של תנועת האוויר השתכללה משמעותית מעבר למודל הראשוני של הדלי:

 אפקט קוריוליס (1835): המתמטיקאי הצרפתי גאספר גוסטב קוריוליס תיאר את הכוח המדומה הפועל על גופים במערכת מסתובבת. תובנה זו הסבירה מדוע רוחות אינן נעות בקו ישר מאזור לחץ גבוה לאזור לחץ נמוך, אלא מוסטות ימינה (בחצי הכדור הצפוני) ויוצרות תנועה סיבובית סביב שקעים ורמות.
 תאי פרל (1856): המטאורולוג האמריקאי ויליאם פרל שכלל את המודל הגלובלי והוסיף את "תא פרל" (Ferrel Cell) בקווי הרוחב הבינוניים. המודל שלו הסביר לראשונה את תופעת הרוחות המערביות (Westerlies) השולטת באזורים הממוזגים, בניגוד לרוחות המזרחיות באזור הטרופי.

 מהפכת הטלגרף והשירותים הלאומיים 
המצאת הטלגרף (1844) הייתה "שובר שוויון" טכנולוגי שאפשר איסוף נתונים סימולטני ("סינופטי" – ראייה בו-זמנית) מתחנות מרוחקות. בשנת 1854, במהלך מלחמת קרים, סופה עזה בים השחור השמידה חלק ניכר מהצי הצרפתי. האסטרונום אורבן לה-ורייה חקר את האירוע והוכיח כי הסופה עברה מעל אירופה ימים קודם לכן, וכי לו הייתה קיימת רשת טלגרף מטאורולוגית, ניתן היה להזהיר את הצי. בעקבות זאת הוקמו השירותים המטאורולוגיים הלאומיים הראשונים בצרפת ובבריטניה. האדמירל רוברט פיצרוי (לשעבר קפטן ה"ביגל" במסעו של דרווין) החל לפרסם בשנת 1861 את מפות מזג האוויר היומיות הראשונות בעיתון "הטיימס", והיה הראשון שטבע את המונח "Forecast" (תחזית).

 הממסד הבינלאומי 
הצורך בתקנון (סטנדרטיזציה) של מכשירים, שעות מדידה ויחידות מידה הוביל לכינוס הקונגרס המטאורולוגי הבינלאומי הראשון בווינה בשנת 1873. קונגרס זה ייסד את "ארגון המטאורולוגיה הבינלאומי" (IMO), שלימים הפך להארגון המטאורולוגי העולמי (WMO) של האו"ם.

 המחצית הראשונה של המאה ה-20 
תקופה זו התאפיינה במעבר ממדידות קרקעיות להבנה תלת-ממדית של האטמוספירה, תהליך הואץ משמעותית בשל צורכי התעופה הצבאית והאזרחית בשתי מלחמות העולם.

 האסכולה הנורווגית 
במהלך מלחמת העולם הראשונה, כשהגישה לנתונים מטאורולוגיים מרחבי אירופה נחסמה, התפתח בנורווגיה מרכז מחקר בראשות הפיזיקאי וילהלם ביירקנס. הקבוצה פיתחה את המודל המושגי שעליו מבוסס הניתוח הסינופטי המודרני. בנו, יעקב ביירקנס, טבע בשנת 1919 את המושג "חזית" (Front), בהשראת קווי החזית הצבאיים בצרפת, ותיאר כיצד מפגש בין גושי אוויר מנוגדים יוצר שקעים ומערכות גשם.

 השפעת התעופה ומלחמת העולם השנייה 
מלחמת העולם השנייה הציבה את המטאורולוגיה כגורם אסטרטגי מכריע ודחפה לפיתוחים טכנולוגיים ותאורטיים:

 גילוי זרמי הסילון: טייסי מפציצים אמריקאים שטסו בגובה רב מעל יפן ואירופה דיווחו על רוחות נגדיות עזות, שגרמו למטוסים כמעט "לעמוד במקום" באוויר. דיווחים אלו הובילו לגילוי זרמי הסילון (Jet Streams) – רצועות רוח צרות ומהירות ברום הגבוה, המניעות את מערכות מזג האוויר העולמיות.
 התחזית לפלישה לנורמנדי: ביוני 1944, נדרש הצוות המטאורולוגי של בעלות הברית לקבוע את מועד הפלישה לצרפת (D-Day). המטאורולוג הראשי ג'יימס סטאג שכנע את הגנרל דווייט אייזנהאואר לדחות את הפלישה ב-24 שעות בשל סערה צפויה בתעלה. דחייה זו והניצול של "חלון הזדמנויות" קצר של מזג אוויר רגוע ב-6 ביוני, נחשבים לאחת ההחלטות המטאורולוגיות החשובות בהיסטוריה הצבאית.
 רשת תצפיות גלובלית: הצורך המבצעי הוביל לפריסת אלפי תחנות מדידה בשדות תעופה, באיים מרוחקים ובאוניות בלב ים, תשתית שהפכה לאחר המלחמה לבסיס של רשת הדיווח העולמית של ה-WMO.

 העידן המודרני: טכנולוגיה וחישוב 
המחצית השנייה של המאה ה-20 הביאה עמה שתי מהפכות מקבילות ששינו את פני המטאורולוגיה: היכולת לראות את האטמוספירה כולה באמצעים טכנולוגיים (חישה מרחוק), והיכולת לתת פרדיקציה באמצעות מחשבי-על.

 מהפכת החישה מרחוק: מכ"ם ולוויינים 
שמאל|ממוזער|175px|תמונת מכ"ם המציגה ענני גשם (האזורים האדומים מציינים משקעים כבדים)
ימין|ממוזער|150px|הלוויין המטאורולוגי הראשון, TIROS 1
במהלך מלחמת העולם השנייה, מפעילי מכ"ם צבאי הבחינו ב"רעש" והפרעות על הצג כתוצאה ממשקעים. מה שנחשב תחילה למטרד, זוהה לאחר המלחמה ככלי רב-עוצמה. המטאורולוג דייוויד אטלס פיתח את חיזוי מזג האוויר באמצעות מכ"ם, שאפשרה לראשונה לעקוב אחר סופות גשם, ברד וטורנדו בטווחים של מאות קילומטרים ובזמן אמת.

ב-1 באפריל 1960 חלה קפיצת מדרגה נוספת עם שיגור הלוויין המטאורולוגי הראשון, TIROS-1, על ידי נאס"א. לראשונה בהיסטוריה התקבלה תמונה כוללת של מערכות העננים על פני כדור הארץ מלמעלה. לוויינים מודרניים מצוידים בחיישנים הסורקים את האטמוספירה בטווחי גל שונים (אור נראה ותת-אדום), ומספקים נתונים קריטיים על טמפרטורת העננים, לחות הקרקע וכיווני הרוח באזורים שבהם אין תחנות מדידה (כגון אוקיינוסים ומדבריות).

 המהפכה הספרתית: מ"מפעל החיזוי" למחשב 
הבסיס התאורטי לחיזוי הממוחשב הונח כבר בשנת 1922 על ידי המתמטיקאי הבריטי לואיס פריי ריצ'רדסון, בספרו "חיזוי מזג אוויר בתהליך נומרי". ריצ'רדסון טען כי מאחר שהאטמוספירה מצייתת לחוקי הפיזיקה, ניתן לחשב את עתידה באמצעות פתרון משוואות הזרימה. הוא חזה בדמיונו "מפעל חיזוי" המורכב מ-64,000 מתמטיקאים המבצעים חישובים ידניים במקביל. ניסיונו המעשי לחשב תחזית כשל כישלון חרוץ בשל היעדר כוח חישוב מספק ובעיות ביציבות מספרית.

מימושו המעשי של חזון ריצ'רדסון התאפשר רק בעקבות הזינוק הטכנולוגי שחוללה מלחמת העולם השנייה. המחשב האלקטרוני ENIAC, ששימש ליצירת התחזית הראשונה, פותח במקור במימון צבא ארצות הברית לצורך חישוב טבלאות ירי ארטילריות (בליסטיקה). המתמטיקאי ג'ון פון נוימן, שהיה מעורב בפיתוח פצצת האטום, זיהה את הדמיון המתמטי בין ההידרודינמיקה של פיצוצים לבין הדינמיקה של האטמוספירה, ודחף להסבת כוח החישוב הצבאי לטובת מדע טהור. כך, בשנת 1950, צוות בראשות המטאורולוג ג'ול צ'רני ופון נוימן רתם את המכונה הצבאית לייצור תחזית מזג האוויר הממוחשבת הראשונה בהצלחה, אירוע שכונן את עידן החיזוי הנומרי (NWP) המודרני.

 גילוי הכאוס וגבולות החיזוי 
בשנות ה-50 וה-60 רווחה האופטימיות כי עם התחזקות המחשבים ניתן יהיה לחזות את מזג האוויר לטווח בלתי מוגבל. אמונה זו התנפצה בשנת 1963, כאשר המטאורולוג אדוארד לורנץ גילה במקרה את תופעת הכאוס. לורנץ גילה כי מערכת המשוואות של האטמוספירה רגישה באופן קיצוני ל"תנאי ההתחלה": שינוי מזערי בנתוני הפתיחה (כמו "משק כנפי פרפר") מוביל לתוצאה שונה לחלוטין לאחר זמן קצר. תגלית זו, המכונה "אפקט הפרפר", קבעה גבול תאורטי ליכולת החיזוי: גם המחשב החזק ביותר לא יוכל לחזות מזג אוויר מדויק ("דטרמיניסטי") מעבר לטווח של כשבועיים.

 כיוונים עכשוויים: המאה ה-21 
שמאל|ממוזער|ויזואליזציה של אי-ודאות ("תרשים ספגטי"): פלט של חיזוי אנסמבל (Ensemble) מבית NOAA. כל קו צבעוני מייצג הרצה נפרדת של מודל חיזוי שונה (כגון WRF או NAM) עבור קו טמפרטורה זהה (איזוותרמה של 15- מעלות). האזורים שבהם הקווים חופפים וצפופים מעידים על קונצנזוס בין המודלים וודאות גבוהה, ואילו האזורים שבהם הקווים מתבדרים ("הספגטי מתפזר") מעידים על אי-ודאות גדולה במיקום המערכת.
כיום, המטאורולוגיה מתמודדת עם מגבלות הכאוס באמצעות שיטת "חיזוי באנסמבל" (Ensemble Forecasting). במקום להריץ את המודל פעם אחת, מריצים אותו עשרות פעמים במקביל, כאשר בכל הרצה מוכנס שינוי מזערי יזום בנתוני ההתחלה. התוצאה אינה תחזית אחת מוחלטת, אלא מפה הסתברותית המציגה את מגוון התרחישים האפשריים.

המחצית הראשונה של המאה ה-21 מסמנת מעבר משיטות המבוססות בלעדית על כוח חישוב "גולמי", לשיטות המיישמות ארכיטקטורות חישוב חדשות. טכנולוגיות אלו מציעות פתרונות לאתגרים החישוביים שעמם מתמודדים המודלים הפיזיקליים המסורתיים.
 מפיזיקה דטרמיניסטית לבינה מלאכותית  
הגישה המסורתית לחיזוי מזג אוויר (NWP) נשענת על פתרון משוואות נבייה-סטוקס – מערכת משוואות מורכבת המתארת את תנועת הזורמים (אוויר ומים). מכיוון שמשוואות אלו הן לא-ליניאריות (כלומר, שינוי קטן בקלט גורם לשינוי לא פרופורציונלי בתוצאה) וקשות מאוד לפתרון, המודלים נאלצים לבצע תהליך של ליניאריזציה ודיסקרטיזציה.
במילים פשוטות, המחשב אינו יכול לחשב את המציאות כקו עקום ורציף כפי שהיא בטבע. לכן, הוא "קוצץ" את האטמוספירה לקוביות קטנות (גריד) ומקרב את השינויים בתוך כל קובייה לקווים ישרים (ליניאריים) שקל יותר לחשב. שיטה זו תובענית מאוד: הקטנת הקוביות לשיפור הדיוק מחייבת הכפלה מעריכית של כוח המחשוב.

לעומת זאת, מודלים של בינה מלאכותית (AI), כגון "GraphCast" ו-"Pangu-Weather", עוקפים את הצורך בפתרון משוואות. הם פועלים בגישה אמפירית: המודל "לומד" דפוסים מתוך ארכיוני ענק של מזג אוויר היסטורי, וממפה קשרים סטטיסטיים בין מצבי מזג אוויר שונים. יתרונה הגדול של הגישה הוא המהירות – הפקת תחזית אורכת דקות ספורות במחשב רגיל, במקום שעות במחשב-על. עם זאת, חוקרים עדיין בוחנים את מגבלות ה-AI בחיזוי אירועי קיצון חסרי תקדים, ואת סוגיית "הקופסה השחורה" (הקושי להסביר פיזיקלית מדוע המודל הגיע לתוצאה מסוימת).
 גבולות החומרה והעתיד הקוונטי  
הצורך בטכנולוגיות חדשות נובע גם מההאטה בקצב שיפור החומרה הקלאסית. במשך עשורים הסתמכה התעשייה על "חוק מור" – תבחין שחזה כי עוצמת המחשבים תוכפל בערך כל שנתיים. אולם, ככל שרכיבי הסיליקון ממוזערים לרמה האטומית, הטכנולוגיה הקיימת מתקרבת לקצה גבול היכולת הפיזיקלית שלה.
מחשוב קוונטי מציע פריצת דרך תאורטית לבעיה זו. בניגוד למחשב קלאסי המשתמש ב"ביטים" (0 או 1), המחשב הקוונטי משתמש ב"קיוביטים" (Qubits) בעלי תכונת הסופרפוזיציה, המאפשרת להם להימצא בשילוב של מצבים בו-זמנית.

תכונה זו עשויה לחולל מהפכה בחיזוי אנסמבל (Ensemble Forecasting) – הרצת המודל עשרות פעמים במקביל עם שינויים מזעריים כדי להעריך סיכונים. מחשב קוונטי יוכל למדל את אי-הוודאות של מערכות כאוטיות ביעילות גבוהה עשרות מונים ממחשבי-על קיימים, ולשפר את ההתראה מפני אסונות טבע.
לקריאה נוספת
ד"ר דוד גרשון וד"ר בני רזניק, מזג האוויר, ספריית מעריב, 1995

 הערות שוליים 

קטגוריה:מטאורולוגיה
קטגוריה:היסטוריה של המדע
קטגוריה:ויקיפדיה - ערכים מומלצים לשעבר