Geçtiğimiz birkaç yıl boyunca, yüksek hızlı hesaplama makinelerinin hava tahmini problemine uygulanmasına yönelik hatırı sayılır ve giderek artan bir ilgi oluştu. Sayısal hava tahmini, aslında artık elektronik hesaplama makinelerinin önemli bir kullanıcı grubunu oluşturmanın yanı sıra meteorolojinin de önemli bir parçası haline gelmiştir.
Richardson'ın Vizyonu
Sayısal hava tahmininin öncüsü, 1920'lerde sayısal yöntemlerle hava tahminleri hazırlamak için kapsamlı bir metod öneren İngiliz fizikçi Lewis Richardson'dı. Verilen örneklerin başarısızlığına rağmen, bu sistemi tanımlayan kitabı, modern sayısal tahminin temellerini atma yolunda büyük mesafe kat etti.
Richardson'ın başarısızlığı, muhtemelen çok hırslı olmasından ve meteorolojinin diğer dallarının çok ilerisinde olmasından kaynaklanıyordu. Bir elektronik hesaplama makinesi kavramına sahip olmayan Richardson, hayalindeki sayısal tahmin merkezini personelle donatmak için sayısız "insan hesaplayıcı" (hand computers) hayal etmişti. Bu rüyayı gerçeğe dönüştürmek için ciddi bir girişimin yapılmasından önce çeyrek asrın geçmesi gerekecekti.
Von Neumann ve IAS
Sayısal hava tahmininin bu ikinci doğuşu, hesaplama makinelerine olduğu kadar sayısal hava tahminine olan ilgisi de İleri Araştırmalar Enstitüsü'ndeki (IAS) Elektronik Bilgisayar Projesi'nin bir parçası olarak bir meteoroloji grubunun kurulmasına yol açan John von Neumann'a çok şey borçludur.
Jule Charney liderliğindeki bu grup, 1950 yılında ilk makul ölçüde başarılı sayısal tahminleri üretti. Bu tahminler ENIAC kullanılarak yapılmıştı. IAS makinesinin ilk kez kullanılması ise 1952 baharını buldu. Ancak o zamandan beri meteoroloji grubu, IAS makinesinin ana kullanıcısı olmuş ve yeni, geliştirilmiş tahmin yöntemlerinin geliştirilmesinde büyük bir rol oynamıştır. Kendi makinesini kullanmanın yanı sıra IAS, International Business Machines (IBM Tip 701) bilgisayarını kullanarak da bazı tahminler yapmıştır.
Diğer Araştırma Grupları
Erken dönem Princeton tahminlerinin başarısını takiben, diğer birkaç araştırmacı grubu da problemle ilgilenmeye başladı:
- Hava Kuvvetleri Cambridge Araştırma Merkezi — IBM 701 kullanarak uzun bir tahmin serisi hazırladı.
- ABD Hava Durumu Bürosu — Remington Rand 1103 (Univac Scientific) ile deneysel tahminler yaptı.
- Stokholm Üniversitesi — BESK kullanarak tahminler yaptı.
- İngiltere Meteoroloji Ofisi — LEO kullanarak tahminler yaptı.
Rutin Sayısal Hava Tahmini
Geçtiğimiz dört yıl boyunca yapılan bu deneysel tahminler, ABD Hükümeti'ni o kadar cesaretlendirdi ki; sayısal hava tahminini rutin bir bazda test etmek üzere Washington'da ortak bir Hava Kuvvetleri, Donanma ve Hava Durumu Bürosu birimi kuruldu. Bu birimin, bir IBM 701 bilgisayarı kullanarak 1955 baharında günlük tahminler üretmeye başlaması bekleniyor. Bu, tam zamanlı olarak meteorolojik problemlere ayrılmış ilk bilgisayar olacak.
Bu birimin kurulması, sayısal tahmin problemlerinin tamamının veya aslında çoğunun çözüldüğü anlamına gelmemelidir. Aksine bu, sayısal yöntemin geçerli bir tahmin aracı olarak kabul edilmesini ve değerinin yaygın kullanım yoluyla yargılanması kararını işaret eder ki bu süreçte birçok ince ayar ve umuyoruz ki büyük iyileştirmeler yapılacaktır.
Atmosferik Modelleme Sorunu
Dünya atmosferinin hareketlerini yöneten matematiksel denklemleri genel terimlerle yazmak nispeten kolay bir iş olsa da, bunları çözmek tamamen farklı bir problemdir. Sadece diferansiyel denklemlerin yüksek derecede lineer olmaması, atmosferin sınırlarının son derece düzensiz olması ve birçok atmosferik sürecin göreceli öneminin bilinmemesi değil, aynı zamanda atmosferin belirli bir zaman diliminde tam olarak ne yaptığını asla gözlemleyemememiz gibi bir zorluk da vardır.
Bu nedenle sayısal tahmincinin ilk görevi, problemin kendisini daha yönetilebilir bir forma indirgemektir. Örneğin, dünyanın hala dönmesine rağmen düz olduğu varsayılır, tüm hareketlerin adiyabatik olduğu varsayılır ve rüzgar hamlesi gibi küçük ölçekli fenomenler ihmal edilir.
Hesaplama Gereksinimleri
Tüm Kuzey Yarımküre üzerinde rutin hava tahminleri üretecek yeterli büyüklükteki bir hesaplama makinesinin özelliklerini tahmin etmek ilgi çekicidir. Yatayda yaklaşık 200 kilometre ve dikeyde 200 milibarlık bir çözünürlük varsayarsak:
Tüm Kuzey Yarımküre'yi böyle bir ızgara ile kaplamak yaklaşık 28.000 ızgara noktası gerektirecektir.
Her bir ızgara noktası başına en az dört değerin depolanması, her değerin en az 12 ikili basamak hassasiyetinde olması gerekir. Böylece makinemiz, yaklaşık 112.000 kelimelik bir depolama ortamına ihtiyaç duyacaktır.
Zaman adımı başına her ızgara noktası için en az 50 çarpma işleminin zaman eşdeğerine izin vermeliyiz. 24 saatlik bir tahmin için 48 adet yarım saatlik zaman adımı gerekirse, 67 × 10⁶ çarpma işlemi yapılmalıdır. Yarım saatlik bir süre içinde bu, makinenin yaklaşık 30 mikrosaniyelik bir çarpma süresine sahip olmasını gerektirir — ki bu, mevcut hemen hemen tüm makinelerle elde edilebilenden yaklaşık on kat daha hızlıdır.
Bu kaba hesaplamalar, hava tahmini probleminde karşılaşılan hesaplama probleminin çok büyük olduğunu gösterebilir ve henüz bu problemi bütünüyle ele alabilecek bilgisayarlara sahip değiliz. Bu, elbette mevcut bilgisayarlarımızın çok büyük fayda sağlayamayacağı anlamına gelmez. Onlar, aslında muhtemelen hâlâ meteorolojik bilgimizin önündedirler.