برخی فكر می كنند پیش بینی وضع هوا كاری ساده و پیش پا افتاده است و گویندهیآن كه هر روز در اخبارهای گوناگون تلویزیونی به تشریح اوضاع جوی می پردازد را زیادجدی نگرفته و كانال عوض می كنند. ولی آیا تا به حال فكر كرده اید كه این پیش بینیها چگونه و بر چه اساسی صورت می گیرد؟
در پیش بینی وضع هوا یا اقلیم (آب و هوا كوتاه مدت و اقلیم بلند مدت است) علومزیادی از جمله ریاضیات (و خصوصا ریاضیات نوین)،فیزیك، شیمی،زیست شناسی، انفورماتیكو... نقش اصلی ایفا می كنند. اولین عملیاتی كه در این كار باید صورت گیرد، مدلسازی پدیده های متعدد جوی یا در اصطلاح كمیت های هوا شناختی (باد، دما، رطوبتو...) در حال است. برای مدل سازی صحیح ، زمین به جعبه هایی به طول و عرض 50كیلومتر و ارتفاع چند صد متر تقسیم می شود و اطلاعاتی كه در مركز برخی از این جعبهها اندازه گیری میشود و همچنین اطلاعاتی كه ماهواره ها در طول زمان گذر از آنمنطقه بدست می آورند (البته ماهواره ها فقط می توانند با امواج و بازتاب آنهااطلاعات تهیه كنند كه كمیت های هواشناختی زیادی را بدست نمی دهد) زمینهی این مدلسازی می باشد.
شاید به این فكر افتاده اید كه چرا طول و عرض جعبه ها را 50كیلومتر تعیین كردهاند؟ بله كاملا درست است ؛ همین جاست كه می گوییم ابر رایانه ها در برابر پیش بینیهوا عاجزند. چرا؟ خوب شما فرض كنید كه این ابعاد كمتر شود. حال مسلما اطلاعاتافزایش می یابد و از طرفی انجام پردازش بر روی این داده ها نباید بیش از 24 ساعتطول بكشد (چرا؟). به همین دلیل است كه رایانه های بسیار بزرگ و قدرتمند كنونیقابلیت این مدل سازی را در ابعاد كمتر از 50 كیلو متر ندارند. البته این نكته همقابل توجه است كه پس از مدل سازی اولیه دیگر آن حجم اطلاعات به عدد و در واقع صفرو یك در آمده و پیش بینی آن برای چند روز آینده زیاد به ابر رایانه ها فشار نمیآورد. البته نه این كه دیگر مشكلی وجود نداشته باشد. چون از اینجا به بعد با توجهبه این كه اطلاعات در دسترس ما كه به مدل تبدیل شده است تمام جعبه ها را در بر نمیگیرد (زیرا نامتناهی است) و همچنین فاصلهی زمانی بین دو حالت (دو مدل بدست آمده)محاسبه شده به چند دقیقه می رسد ، این مساله را در اصطلاح ریاضی گسسته سازی كردهایم. در اینجا «آنالیز عددی» به كمك ما می آید و از یك سری معادلات پیوسته ،الگویی عددی را با حفظ بیشترین دقت ارائه می دهد. هدف آنالیز عددی در این مرحله حلمعادلات گسترده و اتمام محاسبات آن و رسیدن به مقادیر عددی بسیار دقیق است البتهبا حداقل زمان و تلاش و هزینهی مصرفی.
تمام مطالبی كه تا كنون ارائه شد مخصوص وضع هوا بود كه نهایتا 8 تا 10 روزاعتبار دارد ولی چرا فقط 10 روز؟
همانطور كه تا این جا مشخص شد مساله اصلی تعیین مدل اولیه است و گفتیم كه اینمدل هم كاملا دقیق نیست (البته خیلی نزدیك است) ولی در نظر نگرفتن یا اشتباه یا هرچیز دیگری كه بسیار جزیی باشد - طبق مقالهی ادوارد ل.لورنز- در طی روز ها و هفتههای بعد اثرش تشدید شده و می تواند باعث تغییرات ملموسی شود. البته این بدان معنانیست كه پیش بینی چندین سال دیگر كاری محال است ولی بدان معنی است كه امكان اینكهبگوییم در فلان سال و فلان ماه و فلان روز در فلان منطقه دما فلان درجه است یاباران می بارد، بسیار كم است. با این وجود علم اقلیم شناسی آینده می تواند در حدودچند ماه یا چند سال و یا چند صد سال دیگر را به صورت تقریبی (و نه دقیق) بیان كند.این موضوع نیز با بزرگ كردن جعبه ها و مناطق مورد نظر برای پیش بینی میسر خواهد شد(مثلا 200 تا 300كیلومتر طول و عرض). ولی به نظر شما باز هم می توان وضع منطقه ایوسیع در چند سال (یا چند صد سال) آینده را با همان روش قبلی بدست آورد؟ مسلماعوامل تاثیر گذار بر اقلیم بسیار بیشتر از این عوامل در آب و هوای 10 روز آیندهاست. به عنوان مثال برای پیش بینی وضع هوای چند روز آینده به ذوب شدن یخ های قطبی،جو زیستی ، وضع اقیانوس ها و حیوانات و منقرض شدن برخی از انواع آنها در چند روزآینده توجهی نمی شود ولی همین پیش بینی اگر بخواهد برای چند صد سال دیگر رخ دهدمسلم است كه تمام این شرایط به علاوهی ده ها شرط دیگر تاثیر مستقیم دارند. در نهایتبرای رفع این مشكلات از روش های آماری در سطح هر جعبه استفاده كرده و آنها را درمحاسبات اعمال می كنند. یك ضرب المثل جالب در این زمینه میگوید:« پروانه در آفریقابال میزند ، گردبادی در آمریكای جنوبی بوجود می اید»
اگر به سوالات این مقاله بار دیگر بنگرید ملاحظه خواهید كرد كه هر كدام از اینمسائل جایی برای بسط و بهینه سازی از راه ریاضیات دارند كه شاید بهینه ساز آن شماباشید. از شما تقاضا دارم كه از كنار سوالاتی كه در ذهن شما بوجود می آید به سادگینگذرید و همیشه به دنبال جوابی برای آنها بوده و مطمئن باشید كه طبیعت می تواندنقش مهمی در پاسخ شما داشته باشد.
در پایان ضمن تبریك به تمامی كسانی كه در تولید ابر رایانه ساخت ایران نقشداشته اند و همچنین تمام ایرانیان ، از به كار گرفتن آن در پیش بینی وضع هوا واقلیم شناسی آینده حمایت كرده و از به استقلال رسیدن در این عرصه همانند تمامایرانیان بسیار خوشحالم. (این ابر رایانه چند سال پیش تولید شده است ولی افتخاریبس بزرگ و غرور آفرین است)
منبع: كتاب «انفجار ریاضیات» ترجمه توسط : انجمن ریاضی ایران
برخی فكر می كنند پیش بینی وضع هوا كاری ساده و پیش پا افتاده است و گویندهیآن كه هر روز در اخبارهای گوناگون تلویزیونی به تشریح اوضاع جوی می پردازد را زیادجدی نگرفته و كانال عوض می كنند. ولی آیا تا به حال فكر كرده اید كه این پیش بینیها چگونه و بر چه اساسی صورت می گیرد؟
در پیش بینی وضع هوا یا اقلیم (آب و هوا كوتاه مدت و اقلیم بلند مدت است) علومزیادی از جمله ریاضیات (و خصوصا ریاضیات نوین)،فیزیك، شیمی،زیست شناسی، انفورماتیكو... نقش اصلی ایفا می كنند. اولین عملیاتی كه در این كار باید صورت گیرد، مدلسازی پدیده های متعدد جوی یا در اصطلاح كمیت های هوا شناختی (باد، دما، رطوبتو...) در حال است. برای مدل سازی صحیح ، زمین به جعبه هایی به طول و عرض 50كیلومتر و ارتفاع چند صد متر تقسیم می شود و اطلاعاتی كه در مركز برخی از این جعبهها اندازه گیری میشود و همچنین اطلاعاتی كه ماهواره ها در طول زمان گذر از آنمنطقه بدست می آورند (البته ماهواره ها فقط می توانند با امواج و بازتاب آنهااطلاعات تهیه كنند كه كمیت های هواشناختی زیادی را بدست نمی دهد) زمینهی این مدلسازی می باشد.
شاید به این فكر افتاده اید كه چرا طول و عرض جعبه ها را 50كیلومتر تعیین كردهاند؟ بله كاملا درست است ؛ همین جاست كه می گوییم ابر رایانه ها در برابر پیش بینیهوا عاجزند. چرا؟ خوب شما فرض كنید كه این ابعاد كمتر شود. حال مسلما اطلاعاتافزایش می یابد و از طرفی انجام پردازش بر روی این داده ها نباید بیش از 24 ساعتطول بكشد (چرا؟). به همین دلیل است كه رایانه های بسیار بزرگ و قدرتمند كنونیقابلیت این مدل سازی را در ابعاد كمتر از 50 كیلو متر ندارند. البته این نكته همقابل توجه است كه پس از مدل سازی اولیه دیگر آن حجم اطلاعات به عدد و در واقع صفرو یك در آمده و پیش بینی آن برای چند روز آینده زیاد به ابر رایانه ها فشار نمیآورد. البته نه این كه دیگر مشكلی وجود نداشته باشد. چون از اینجا به بعد با توجهبه این كه اطلاعات در دسترس ما كه به مدل تبدیل شده است تمام جعبه ها را در بر نمیگیرد (زیرا نامتناهی است) و همچنین فاصلهی زمانی بین دو حالت (دو مدل بدست آمده)محاسبه شده به چند دقیقه می رسد ، این مساله را در اصطلاح ریاضی گسسته سازی كردهایم. در اینجا «آنالیز عددی» به كمك ما می آید و از یك سری معادلات پیوسته ،الگویی عددی را با حفظ بیشترین دقت ارائه می دهد. هدف آنالیز عددی در این مرحله حلمعادلات گسترده و اتمام محاسبات آن و رسیدن به مقادیر عددی بسیار دقیق است البتهبا حداقل زمان و تلاش و هزینهی مصرفی.
تمام مطالبی كه تا كنون ارائه شد مخصوص وضع هوا بود كه نهایتا 8 تا 10 روزاعتبار دارد ولی چرا فقط 10 روز؟
همانطور كه تا این جا مشخص شد مساله اصلی تعیین مدل اولیه است و گفتیم كه اینمدل هم كاملا دقیق نیست (البته خیلی نزدیك است) ولی در نظر نگرفتن یا اشتباه یا هرچیز دیگری كه بسیار جزیی باشد - طبق مقالهی ادوارد ل.لورنز- در طی روز ها و هفتههای بعد اثرش تشدید شده و می تواند باعث تغییرات ملموسی شود. البته این بدان معنانیست كه پیش بینی چندین سال دیگر كاری محال است ولی بدان معنی است كه امكان اینكهبگوییم در فلان سال و فلان ماه و فلان روز در فلان منطقه دما فلان درجه است یاباران می بارد، بسیار كم است. با این وجود علم اقلیم شناسی آینده می تواند در حدودچند ماه یا چند سال و یا چند صد سال دیگر را به صورت تقریبی (و نه دقیق) بیان كند.این موضوع نیز با بزرگ كردن جعبه ها و مناطق مورد نظر برای پیش بینی میسر خواهد شد(مثلا 200 تا 300كیلومتر طول و عرض). ولی به نظر شما باز هم می توان وضع منطقه ایوسیع در چند سال (یا چند صد سال) آینده را با همان روش قبلی بدست آورد؟ مسلماعوامل تاثیر گذار بر اقلیم بسیار بیشتر از این عوامل در آب و هوای 10 روز آیندهاست. به عنوان مثال برای پیش بینی وضع هوای چند روز آینده به ذوب شدن یخ های قطبی،جو زیستی ، وضع اقیانوس ها و حیوانات و منقرض شدن برخی از انواع آنها در چند روزآینده توجهی نمی شود ولی همین پیش بینی اگر بخواهد برای چند صد سال دیگر رخ دهدمسلم است كه تمام این شرایط به علاوهی ده ها شرط دیگر تاثیر مستقیم دارند. در نهایتبرای رفع این مشكلات از روش های آماری در سطح هر جعبه استفاده كرده و آنها را درمحاسبات اعمال می كنند. یك ضرب المثل جالب در این زمینه میگوید:« پروانه در آفریقابال میزند ، گردبادی در آمریكای جنوبی بوجود می اید»
اگر به سوالات این مقاله بار دیگر بنگرید ملاحظه خواهید كرد كه هر كدام از اینمسائل جایی برای بسط و بهینه سازی از راه ریاضیات دارند كه شاید بهینه ساز آن شماباشید. از شما تقاضا دارم كه از كنار سوالاتی كه در ذهن شما بوجود می آید به سادگینگذرید و همیشه به دنبال جوابی برای آنها بوده و مطمئن باشید كه طبیعت می تواندنقش مهمی در پاسخ شما داشته باشد.
در پایان ضمن تبریك به تمامی كسانی كه در تولید ابر رایانه ساخت ایران نقشداشته اند و همچنین تمام ایرانیان ، از به كار گرفتن آن در پیش بینی وضع هوا واقلیم شناسی آینده حمایت كرده و از به استقلال رسیدن در این عرصه همانند تمامایرانیان بسیار خوشحالم. (این ابر رایانه چند سال پیش تولید شده است ولی افتخاریبس بزرگ و غرور آفرین است)
منبع: كتاب «انفجار ریاضیات» ترجمه توسط : انجمن ریاضی ایران
