Geçtiğimiz birkaç yıl boyunca, yüksek hızlı hesaplama makinelerinin hava tahmini problemine uygulanmasına yönelik ilgi giderek arttı. Sayısal hava tahmini artık hem meteorolojinin ayrılmaz bir parçası hem de elektronik hesaplama makinelerinin en önemli uygulama alanlarından biri 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, büyük olasılıkla zamanın çok ötesinde bir vizyon taşımasından — hem kendi çağının teknolojisini hem de meteoroloji biliminin geri kalanını çok geride bırakmasından — 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 doğuşunda belirleyici isim John von Neumann'dır. İleri Araştırmalar Enstitüsü'ndeki (IAS) Elektronik Bilgisayar Projesi'nin bir parçası olarak kurulan meteoroloji grubunun oluşmasında hem hesaplama makinelerine hem de sayısal hava tahminlerine duyduğu derin ilgi etkili oldu.
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 gördüğünün ve geniş kullanım pratiğiyle sınanması gerektiğinin bir göstergesidir. Bu süreçte birçok ince ayar ve — umuyoruz ki — önemli iyileştirmeler yapılacaktır.
Atmosferik Modelleme Sorunu
Dünya atmosferinin hareketlerini yöneten matematiksel denklemleri genel terimlerle yazmak nispeten kolaydır; ancak bunları çözmek bambaşka bir sorundur. Güçlükler birden fazla cepheden gelir: diferansiyel denklemlerin yüksek derecede doğrusal olmayan yapısı, atmosfer sınırlarının son derece düzensizliği, birçok atmosferik sürecin göreli öneminin bilinmemesi ve belki de en önemlisi — atmosferin belirli bir anda tam olarak ne yaptığını hiçbir zaman eksiksiz gözlemleyememek.
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 probleminin hesaplama taleplerinin ne denli büyük olduğunu ortaya koymaktadır; problemi bütünüyle ele alabilecek bilgisayarlara henüz sahip değiliz. Ancak bu, mevcut makinelerin önemli katkılar sunamayacağı anlamına gelmez. Tersine — bugünün bilgisayarları, büyük olasılıkla meteorolojik bilgimizin önündedir; asıl sınırlayıcı olan hâlâ bilgisayar hızı değil, anlayışımızın kendisidir.