พยากรณ์อากาศ

การพยากรณ์อากาศ คือ การคาดหมายสภาวะอากาศและปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ที่จะเกิดขึ้นในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งในอนาคต ส่วนมากจะเกี่ยวข้องกับสภาวะอากาศที่เกิดขึ้นใกล้ตัวเรา เช่นฝน อุณหภูมิ เมฆ หมอก คลื่นลม รวมทั้งภัยธรรมชาติที่รุนแรงและไม่รุนแรง ได้แก่ พายุหมุนเขตร้อน, พายุฝนฟ้าคะนอง,การเกิดอุทกภัย, ภัยแล้ง ฯลฯ การพยากรณ์สภาวะอากาศดังกล่าว แบ่งออกเป็น 3 ชนิด ตามช่วงเวลาของการพยากรณ์ คือ

1. การพยากรณ์อากาศระยะสั้น (Short Range Forecast) เป็นการพยากรณ์อากาศในช่วงเวลาไม่เกิน 72 ชั่วโมง ใช้ข้อมูลผลการตรวจอากาศ และแผนที่อากาศในปัจจุบันมาวิเคราะห์ตามแนวทางทฤษฎีอุตุนิยมวิทยา เพื่อการพยากรณ์อากาศ สามารถแบ่งช่วงเวลาการพยากรณ์ออกได้

1.1 การพยากรณ์อากาศปัจจุบัน (Nowcast) ช่วงเวลาพยากรณ์ไม่เกิน 3 ชั่วโมง

1.2 การพยากรณ์อากาศสั้นมาก (Very Short Range) ช่วงเวลาพยากรณ์ไม่เกิน 12 ชั่วโมง

1.3 การพยากรณ์อากาศสั้น (Short – Range) ช่วงเวลาพยากรณ์ไม่เกิน 72 ชั่วโมง

2. การพยากรณ์อากาศระยะปานกลาง (Medium-range Forecast) คือ การพยากรณ์อากาศในระยะเวลามากกว่า 72 ชั่วโมง จนถึง 10 วัน ใช้ข้อมูลอุตุนิยมวิทยาปัจจุบันร่วมกับข้อมูลจากสถิติภูมิอากาศในการพยากรณ์






3. การพยากรณ์อากาศระยะนาน (Longe Range Forecast) เป็นการพยากรณ์อากาศในช่วงเวลามากกว่า 10 วันขึ้นไป ใช้ข้อมูลสถิติทางอุตุนิยมวิทยาในการพยากรณ์
นอกจากทฤษฎีทางอุตุนิยมวิทยาแล้ว ระบบของการตรวจอากาศมีส่วนสำคัญ และจำเป็นอย่างยิ่งต่อการพยากรณ์อากาศ ให้มีประสิทธิภาพ ดังนั้นก่อนที่จะได้มาซึ่งการพยากรณ์อากาศ เราจำเป็นจะต้องมีสถานีตรวจอากาศทั้งอากาศผิวพื้น และตรวจอากาศชั้นบน เพื่อทำการตรวจวัดสารประกอบทางอุตุนิยมวิทยา เช่น ความกดอากาศ อุณหภูมิ ลม ฯลฯ เราจำเป็นจะต้องมีเรดาร์ตรวจอากาศ เพื่อตรวจจับพื้นที่และความรุนแรงของฝน นอกจากนี้เราจะต้องอาศัยดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา เพื่อตรวจวัดข้อมูลอุตุนิยมวิทยาโดยเฉพาะในบริเวณที่ห่างไกล และยากลำบากต่อการติดตั้งสถานีตรวจอากาศ เช่นบริเวณเทือกเขา ป่าไม้ ทะเลทราย มหาสมุทร เกาะแก่งต่าง ๆ ฯลฯ การติดตั้งเครื่องมือตรวจวัดระดับน้ำตามแม่น้ำสำคัญต่าง ๆ เพื่อตรวจวัดปริมาณการไหลของน้ำ ล้วนเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งในการเสริมสร้างระบบการพยากรณ์อากาศให้มีความสมบูรณ์ยิ่งขึ้น

การพยารณ์อากาศด้วยคอมพิวเตอร์

หมายถึง การคาดหมายสภาพลมฟ้าอากาศในอนาคต การที่จะพยากรณ์อากาศได้ต้องมีองค์ประกอบ 3 ประการ ประการแรกคือความรู้ความเข้าใจในปรากฏการณ์และกระบวนการต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในบรรยากาศ ประการที่ สองคือสภาวะอากาศปัจจุบัน และประการสุดท้ายคือความสามารถที่จะผสมผสานองค์ประกอบทั้งสองข้างต้น เข้าด้วยกันเพื่อคาดหมายการ เปลี่ยนแปลงของบรรยากาศที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

การพยากรณ์อากาศอาจจำแนกตามระยะเวลาของการคาดหมายได้ดังนี้ การพยากรณ์ปัจจุบัน (nowcasst) คือการบรรยายสภาวะลมฟ้าอากาศในปัจจุบัน หรือการคาดหมายลักษณะอากาศสำหรับช่วงเวลาไม่เกิน 2 ชั่วโมง การพยากรณ์ระยะสั้นมาก (very - short- range forecast) คือการคาดหมายลักษณะลมฟ้าอากาศสำหรับช่วงเวลาไม่เกิน 12 ชั่วโมง การพยากรณ์ระยะสั้น (short - range forecast) คือการคาดหมายลักษณะลมฟ้าอากาศ สำหรับช่วงเวลาไม่เกิน 3 วัน การพยากรณ์อากาศระยะปานกลาง (medium - range -forecast) คือการคาดหมายลักษณะลมฟ้าอากาศ สำหรับช่วงเวลา 3   -  10 วัน การพยากรณ์ระยะนาน (long-range - forecast) คือการคาดหมายลักษณะลมฟ้าอากาศ สำหรับช่วงเวลาที่เกินกว่า 10 วัน

การพยากรณ์อากาศอาจแบ่งตามวิธีการที่ใช้เป็นหลักในการคาดหมายลักษณะลมฟ้าอากาศได้ 2 ประเภท ได้แก่ การพยากรณ์เชิงจิตวิสัย (subjective forecast) คือการคาดหมายลักษณะลมฟ้าอากาศ โดยอาศัยวิธีการที่ใช้การตัดสินใจและทักษะของผู้พยากรณ์เป็นสำคัญ การพยากรณ์เชิงวัตถุวิสัย ( objective forecast) คือการคาดหมายลักษณะลมฟ้าอากาศ โดยอาศัยการประยุกต์กฏทางพลศาสตร์ (dynamics) และ / หรือ ทางอุณหพลศาสตร์ (thermedynamics) และ / หรือ ทางสถิติศาสตร์ เป็นหลักสำคัญ ทั้งนี้เพื่อกำจัดส่วนที่ต้องใช้การตัดสินใจของผู้พยากรณ์ออกไป อย่างไรก็ตาม การพยากรณ์อากาศที่ดีที่สุดในปัจจุบัน คือการผสมผสานระหว่างวิธีการทั้งสองดังกล่าว การพยากรณ์อากาศด้วยคอมพิวเตอร์ เป็นการพยากรณ์เชิงวัตถุวิสัยชนิดหนึ่ง การพยากรณ์อากาศเชิงตัวเลข (numerical weather prediction-NWP) คือชื่ออย่างเป็นทางการของวิธีการพยากรณ์อากาศด้วยคอมพิวเตอร์ เนื่องจากลมฟ้าอากาศอยู่ภายใต้กฏเกณฑ์ทางฟิสิกส์ การเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศจึงสามารถแสดงได้ในรูปของระบบสมการทางคณิตศาสตร์ สมการเหล่านี้ได้คำนึงถึงว่าองค์ประกอบของบรรยากาศ เช่น อุณหภูมิ ความเร็วและทิศทางลม ความชื้น ฯลฯ จะมีการเปลี่ยนแปลงไปจากสภาวะปัจจุบันอย่างไร หากสามารถแก้สมการเหล่านี้ได้ ย่อมสามารถที่จะแปรความหมายสภาวะของบรรยากาศในลักษณะของ ลมฟ้าอากาศได้ เป็นต้นว่า ฝน อุณหภูมิ แสงแดด ลม  อย่างไรก็ตาม ระบบสมการดังกล่าวข้างต้นมีความซับซ้อนมาก (ในทางคณิตศาสตร์เรากล่าวว่าสมการเหล่านี้เป็น non-linear partial differential equation) และไม่สามารถแก้สมการเหล่านี้เพื่อหาคำตอบที่แท้จริง (exact solution) ที่จะบอกให้เราทราบถึงสภาวะในอนาคตของบรรยากาศได้ จึงจำเป็นต้องใช้วิธีการจำลองแบบเชิงตัวเลข (numerical model) เพื่อที่จะหาคำตอบโดยประมาณ (approximate solution) จากแบบจำลองเชิงตัวเลขเหล่านี้ องค์ประกอบต่าง ๆ ของบรรยากาศจะถูกแทนที่ด้วยชุดของตัวเลขจำนวนหนึ่ง โดยการดัดแปลงระบบสมการของบรรยากาศจะถูกแทนที่ด้วยชุดของตัวเลขจำนวนหนึ่ง โดยการดัดแปลงระบบสมการของบรรยากาศให้อยู่ในรูปแบบที่เหมาะสม ก็จะสามารถที่จะคำนวณค่าในอนาคตของจำนวนเหล่านี้ได้  อย่างไรก็ตามแม้ว่าจะได้ทำการดัดแปลงสมการที่เกี่ยวข้องให้ง่ายขึ้นแล้ว แต่การคำนวณที่จำเป็นสำหรับการพยากรณ์อากาศ ก็ยังคงมีความซับซ้อนและมีปริมาณมากเกินกว่าที่กระทำได้อย่างทันเวลา โดยมนุษย์หรือแม้แต่คอมพิวเตอร์ธรรมดาทั่วไป ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงเป็นพิเศษ เพื่อให้สามารถคำนวณการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศได้อย่างรวดเร็ว ทันกับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจริงในธรรมชาติ ในแบบจำลองเชิงตัวเลข บรรยากาศจะถูกแบ่งออกเป็นรูปทรงสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ จำนวนมาก โดยมีจุดพิกัด (grid point) ณ จุดกึ่งกลางของรูปทรงสี่เหลี่ยมเหล่านี้ ด้วยวิธีการนี้คุณสมบัติของบรรยากาศจะสามารถแทนได้โดยสิ่งที่เกิดขึ้น ณ แต่ละจุดพิกัดเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น หากแบบจำลองมีการแบ่งบรรยากาศออกเป็น 20 ระดับ มีจุดพิกัดในแนวทิศเหนือ - ใต้ จำนวน 217 จุด และจุดพิกัดในแบบจำลองนี้จะมีมากถึง 1,249,920 จุด  การแทนค่าองค์ประกอบหรือตัวแปรต่าง ๆ ของบรรยากาศด้วยค่าตัวเลขโดยประมาณนี้ เรียกว่าการกำหนดความไม่ต่อเนื่อง (discretization) ซึ่งก็คือการพยายามแทนปรากฏการณ์ที่มีความต่อเนื่อง ด้วยชุดของจำนวนเลขที่มีจำนวนจำกัด (ไม่ต่อเนื่อง) ยิ่งใช้ชุดของจำนวนเลขน้อยตัวเพียงใดก็จะยิ่งทำให้การกำหนดความไม่ต่อเนื่องที่ได้หยาบขึ้นเพียงนั้น ซึ่งจะเป็นผลให้การพยากรณ์อากาศมีรายละเอียดและความถูกต้องลดลง แต่หากกำหนดความไม่ต่อเนื่องให้ละเอียดขึ้น ก็จะมีจำนวนของตัวเลขมากขึ้น ซึ่งจะทำให้คอมพิวเตอร์ต้องใช้เวลาในการคำนวณนานขึ้น แต่ก็จะให้ผลการพยากรณ์มีรายละเอียดและความถูกต้องเพิ่มขึ้นเช่นกัน แบบจำลองเชิงตัวเลขสำหรับการพยากรณ์อากาศที่มีการใช้งานอยู่เป็นจำนวนมากทั่วโลกนั้น ต่างก็มีพื้นฐานอยู่บนระบบสมการหลักชุดเดียวกัน ซึ่งระบบสมการนี้ ประกอบด้วยสมการต่าง ๆ คือ สมการ ของการเคลื่อนที่ (equation of motion) สมการอุทกสถิต (hydrostatic equation) สมการอุณหพล (thermodynamic equation) สมการความต่อเนื่อง (continuity equation) สมการของสถานะ (equation of state ) และสมการไอน้ำ (water vapor equation) ระยะเวลาสั้น ๆ แทนที่จะเป็นการคาดหมายสภาวะที่ปกคลุมโลกทั้งหมด หรือการคาดหมายในระยะเวลานาน ๆ จึงมีการสร้างแบบจำลองสำหรับการพยากรณ์อากาศเฉพาะพื้นที่ (limited area model - LAM) ขึ้นมาเพื่อวัตถุประสงค์นี้ แบบจำลองเหล่านี้สามารถให้การพยากรณ์เฉพาะพื้นทีใดพื้นที่หนึ่ง โดยมีรายละเอียดสูง สำหรับช่วงเวลาที่ไม่เกิน 2-3 วัน ถ้านานกว่านั้น แบบจำลองเหล่านี้จะให้ผลการพยากรณ์ที่ไม่ค่อยถูกต้องนัก ทั้งนี้เพราะสิ่งที่เกิดขึ้นนอกบริเวณที่กำหนดไว้สำหรับการพยากรณ์ จะมีอิทธิพลต่อลมฟ้าอากาศในบริเวณดังกล่าวด้วย ยิ่งช่วงเวลานานออกไป อิทธิพลภายนอกก็จะยิ่งมีมากขึ้นตามลำดับ  ดังนั้นการพยากรณ์อากาศโดยใช้เฉพาะข้อมูลในบริเวณที่กำหนด โดยไม่ได้คำนึงถึงอิทธิพลของบรรยากาศภายนอก จึงมีความถูกต้องลดลงอย่างรวดเร็วสำหรับการพยากรณ์อากาศที่นานเกินกว่า 2-3 วันนั้น ต้องคำนึงถึงความจริงว่า สภาวะในอนาคตของบรรยากาศ ณ ที่ใดที่หนึ่ง จะได้รับอิทธิพลจากลมฟ้าอากาศจากบริเวณที่อยู่ไกลออกไปมาก ๆ ด้วย การพยากรณ์อากาศบางอย่าง เช่น การพยากรณ์อากาศตามเส้นทางเดินเรือและเส้นทางการบิน การพยากรณ์การแพร่กระจายของมลภาวะ ไม่ใช่เป็นการพยากรณ์ ณ จุดใดจุดหนึ่งบนพื้นโลก แต่เป็นการพยากรณ์ที่ครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณกว้าง ดังนั้นจะต้องคำนึงถึงสภาวะของบรรยากาศทั่วโลก โดยรวมไว้ในแบบจำลองเชิงตัวเลขเพื่อการพยากรณ์อากาศด้วย นั่นคือแบบจำลองเพื่อการ พยากรณ์อากาศระยะปานกลางต้องครอบคลุมพื้นที่ทั่วโลก ( global model) และต้องพิจารณาบรรยากาศตั้งแต่พื้นโลกขึ้นไปจนถึงความสูงประมาณ 30 กิโลเมตร รวมทั้งต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในระดับต่ำกว่าผิวพื้นโลกทั้งในส่วนที่เป็นแผ่นดินและมหาสมุทรด้วย ปัจจัยสำคัญบางประการที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศ เป็นปรากฏการณ์ที่มีขนาดเล็กมาก เช่น การที่รังสีจากดวงอาทิตย์ทำให้อุณหภูมิพื้นดินเพิ่มขึ้นในขนาดของโมเลกุลการปั่นป่วนของอากาศใกล้พื้นดินและในระดับล่างของบรรยากาศอาจเกิดขึ้นในขนาดไม่กี่เซนติเมตรกระบวนการก่อตัวของเมฆ การเกิดฝนภายในก้อนเมฆ ปรากฏการณ์ขนาดเล็กเหล่านี้ไม่อาจรวมไว้ในแบบจำลองเชิงตัวเลขได้อย่างถูกต้องด้วยวิธีการกำหนดความไม่ต่อเนื่อง (discretization) เพราะจะทำให้มีตัวเลขเป็นจำนวนมากมายมหาศาลเกินกว่าที่คอมพิวเตอร์ใด ๆ ๆ ในโลกปัจจุบัน จะทำการคำนวณได้รวดเร็วทันต่อการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจริงในบรรยากาศ ดังนั้น จึงมีความจำเป็นที่จะต้องแทนปรากกฏการณ์เหล่านี้ โดยพิจารณาถึงอิทธิพลหรือความสัมพันธ์ของมันที่มีต่อตัวแปรอื่น ๆ  ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าและได้กำหนดไว้แล้วในแบบจำลองแล้ววิธีนี้เรียกว่า การกำหนดตัวแปรเสริม (parameterization) วิธีการกำหนดตัวแปรเสริมนี้ยังคงต้องมีการพัฒนาอีกมาก เพื่อที่จะทำให้การพยากรณ์อากาศด้วยคอมพิวเตอร์ มีความถูกต้องมากยิ่งขึ้นในการที่จะทำการพยากรณ์อากาศด้วยคอมพิวเตอร์โดยใช้แบบจำลองเชิงตัวเลขได้นั้น จำเป็นต้องทราบสภาวะอากาศปัจจุบันหรือสภาวะเริ่มแรก (initial condition) ของบรรยากาศ ณ แต่ละจุดพิกัดที่กำหนดไว้ในแบบจำลอง ให้ครบถ้วนก่อน สภาวะเริ่มแรกนี้ได้มาจากการตรวจอากาศผิวพื้นการตรวจอากาศชั้นบน ข้อมูลจากดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา เรดาร์ เรือเดินทะเล เครื่องบิน ทุ่นลอยในทะเล ฯลฯ รวมทั้งการประมาณค่าโดยคอมพิวเตอร์เองด้วยเช่นกัน ข้อมูลเหล่านี้จะถูกตรวจสอบความถูกต้องหลายขั้นตอนและด้วยวิธีการต่าง ๆ มากมาย หลังจากนั้นจะได้รับการจัดเตรียมให้อยู่ในรูปแบบที่เหมาะสมสำหรับการนำไปใช่ในแบบจำลองเชิงตัวเลข การเตรียมข้อมูลสภาวะเริ่มแรกนั้นเป็นภารกิจที่ละเอียดอ่อนและใช้เวลา  เกณฑ์อากาศร้อน กำหนดจากค่าอุณหภูมิสูงสุด ดังนี้      - อากาศร้อน (Hot) ใช้กับอุณหภูมิสูงสุดตั้งแต่ 35.0 – 39.9 องศาเซลเซียส      - อากาศร้อนจัด (Very Hot) ใช้กับอุณหภูมิสูงสุดตั้งแต่ 40.0 องศาเซลเซียสขึ้นไป เกณฑ์อากาศหนาว กำหนดจากอุณหภูมิต่ำสุดประจำวันและใช้เฉพาะในฤดูหนาว ดังนี้      - อากาศเย็น (Cool) ใช้กับอุณหภูมิต่ำสุดตั้งแต่ 18.0 – 22.9 องศาเซลเซียส      - อากาศค่อนข้างหนาว (Moderately Cold) ใช้กับอุณหภูมิต่ำสุดตั้งแต่ 16.0 – 17.9 องศาเซลเซียส      - อากาศหนาว (Cold) ใช้กับอุณหภูมิต่ำสุดตั้งแต่ 8.0 – 15.9 องศาเซลเซียส      - อากาศหนาวจัด (Very Cold) ใช้กับอุณหภูมิต่ำสุดตั้งแต่ 7.9 องศาเซลเซียสลงไป เกณฑ์การกระจายของฝน กำหนดจากพื้นที่ที่ฝนจะตก ดังนี้      - ฝนบางพื้นที่ (Isolated) หมายถึง มีฝนตกน้อยกว่า 20% ของพื้นที่      - ฝนกระจายเป็นแห่งๆ (Widely Scattered) หมายถึง มีฝนตกตั้งแต่ 20% ขึ้นไป แต่ไม่เกิน40% ของพื้นที่      - ฝนกระจาย (Scattered) หมายถึง มีฝนตกตั้งแต่ 40% ขึ้นไป แต่ไม่เกิน 60% ของพื้นที่      - ฝนเกือบทั่วไป (Almost Widespread) หมายถึง มีฝนตกตั้งแต่ 60% ขึ้นไป แต่ไม่เกิน 80%ของพื้นที่      - ฝนทั่วไป (Widespread) หมายถึง มีฝนตกตั้งแต่ 80% ของพื้นที่ ขึ้นไป เกณฑ์ปริมาณฝน กำหนดจากปริมาณน้ำฝน ดังนี้      - ฝนเล็กน้อย (Light Rain) ฝนตกมีปริมาณตั้งแต่ 0.1 มิลลิเมตร ถึง 10.0 มิลลิเมตร      - ฝนปานกลาง (Moderate Rain) ฝนตกมีปริมาณตั้งแต่ 10.1 มิลลิเมตร ถึง 35.0 มิลลิเมตร      - ฝนหนัก (Heavy Rain) ฝนตกมีปริมาณตั้งแต่ 35.1 มิลลิเมตร ถึง 90.0 มิลลิเมตร      - ฝนหนักมาก (Very Heavy Rain) ฝนตกมีปริมาณตั้งแต่ 90.1 มิลลิเมตร ขึ้นไป