เทคนิคการพยากรณ์อากาศทั้งโลก

มนุษย์สนใจเรื่องการพยากรณ์สภาพของดินฟ้าอากาศมาเป็นเวลานานแล้ว เพราะการล่วงรู้ธรรมชาติของอากาศในอนาคตจะช่วยในการประกอบอาชีพ โดยเฉพาะด้านเกษตรกรรม และการประมง อีกทั้งยังอำนวยความสะดวกและปลอดภัยในการเดินทาง ทั้งทางอากาศ และทางทะเล

ในอดีตเมื่อ 340 ปีก่อนคริสตกาล ปราชญ์กรีกชื่อ Aristotle ได้เขียนตำรา Meteorologica ซึ่งได้บันทึกองค์ความรู้เรื่องอากาศที่มีในสมัยนั้น เช่น น้ำระเหยขึ้นไปในอากาศ กลายเป็นเมฆ ที่จะตกเป็นฝนในเวลาต่อมา ส่วน Theophrastus นักวิทยาศาสตร์กรีกก็ได้เขียนบทความที่บรรยายธรรมชาติของลม และพายุ

ครั้นถึงคริสต์ศตวรรษที่ 15 พหูสูตร Leonardo da Vinci ซึ่งเป็นทั้งศิลปิน และนักประดิษฐ์ ชาวอิตาเลียนได้นำเสนอการออกแบบสร้างอุปกรณ์ hygrometer ที่ใช้วัดความชื้นของอากาศ และ anemometer ที่ใช้วัดความเร็วลม

อีกสามศตวรรษต่อมา คือในปี 1724 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Daniel Fahrenheit ได้ออกแบบเทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิที่มีสเกลเป็นองศา จาก 32 องศาที่ใช้บอกอุณหภูมิของน้ำแข็งจนถึง 212 องศาที่ใช้บอกอุณหภูมิของน้ำเดือดที่ความดันปรกติ ถึงปี 1742 Anders Celsius นักฟิสิกส์ชาวสวีเดนได้กำหนดสเกลองศาของเทอร์โมมิเตอร์ใหม่ โดยกำหนดให้ 0 องศาเซลเซียส คือ อุณหภูมิของน้ำแข็ง และ 100 องศาเซลเซียสคืออุณหภูมิของน้ำเดือด

ด้าน Benjamin Franklin ผู้เป็นรัฐบุรุษชาวอเมริกันก็ได้เคยบันทึกเหตุการณ์พายุทอร์นาโดที่พัดคุกคามภูมิประเทศของอเมริกาทางด้านทิศตะวันออก ในยุโรป Antoine Lavoisier ได้วัดความดันอากาศ ความชื้น และความเร็วลมในสถานที่ต่างๆ ตั้งแต่ปี 1773 สำหรับในอังกฤษ John Dalton ได้จัดตั้งเครือข่ายอุตุนิยมวิทยาในเมืองต่างๆ เพื่อบันทึกปริมาณฝนที่ตกในแต่ละวันตั้งแต่ปี 1793 แล้วได้เสนอรายงานชื่อ Meorological Observations and Essays ซึ่งว่าด้วยการสังเกตดูเหตุการณ์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับอุตุนิยมวิทยา

ลุถึงปี 1840 นักวิทยาศาสตร์เริ่มนำข้อมูลของสภาพดินฟ้าอากาศที่ได้รับจากบรรดาเครือข่ายเพื่อรายงานสภาพอากาศขณะต่างๆ โดยใช้โทรเลขในการสื่อสาร จากนั้นไม่นานนักสังเกตการณ์ด้านอุตุนิยมวิทยาที่ปารีสก็ได้ใช้ข้อมูลสภาพอากาศในการเตือนสังคมเกี่ยวกับวาตภัย เพื่อให้กองทัพเรือฝรั่งเศสได้รู้สภาพอากาศล่วงหน้า ด้าน Edme Hippolyte Marie-Davy ชาวฝรั่งเศสนับเป็นบุคคลแรกที่ใช้เส้น isobar ในแผนที่ภูมิอากาศเพื่อแสดงบริเวณต่างๆ บนโลกที่มีความดันอากาศเท่ากัน และในปีเดียวกัน Francis Galton ได้เขียนตำรา Meteorographica ซึ่งมีแผนที่แสดงข้อมูลสภาพอากาศของประเทศในยุโรป ในฤดูต่างๆ อีกทั้งยังเป็นบุคคลแรกที่สามารถอธิบายสาเหตุการเกิดพายุ anticyclone ได้ด้วย

ในปี 1870 กรมอุตุนิยมวิทยาของอเมริกาได้เริ่มออกข่าวสภาพดินฟ้าอากาศให้ประชาชนทราบ อีก 5 ปีต่อมา หนังสือพิมพ์ในอเมริกาหลายฉบับได้นำแผนที่แสดงสภาพดินฟ้าอากาศออกเผยแพร่ให้ประชาชนทั่วไปได้ทราบเป็นครั้งแรก แต่การพยากรณ์อากาศก็ยังเป็นในแนวคุณภาพ ไม่ใช่เชิงปริมาณ เช่น อุณหภูมิของอากาศจะร้อน แต่ไม่ระบุว่าร้อนเพียงใด และทะเลจะมีคลื่นเล็กน้อย เป็นต้น

เมื่อย่างเข้าคริสต์ศตวรรษที่ 20 Vilhelm Bjerkenes ซึ่งเป็นนักอุตุนิยมวิทยาชาวนอร์เวย์ที่เรียนฟิสิกส์กับคณิตศาสตร์เป็นวิชาเอกที่มหาวิทยาลัย Stockholm ในสวีเดนได้เริ่มนำความรู้ฟิสิกส์และคณิตศาสตร์มาใช้ในการอธิบาย และพยากรณ์การเคลื่อนที่ของมวลอากาศเหนือผิวโลก ซึ่งสมการที่ Bjerkenes ใช้ในการคำนวณก็ยังใช้กันอยู่จนทุกวันนี้

หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 วิทยาการด้านอุตุนิยมวิทยาได้เจริญรุดหน้าไปมาก เพราะมีการนำเรดาร์มาช่วยสำรวจพายุ ณ เวลาจริง อีกทั้งมีคอมพิวเตอร์มาช่วยในการคำนวณสมการอนุพันธ์ที่ซับซ้อน เพราะมีตัวแปรมากมาย และตัวแปรเหล่านั้นขึ้นกับเวลา โดย John von Neumann นับเป็นบุคคลแรกที่นำคอมพิวเตอร์มาใช้ในการศึกษาเรื่องนี้

ถึงปี 1960 ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาดวงแรกของโลกชื่อ TIROS ได้เข้ามาช่วยพยากรณ์อากาศ อีกหนึ่งปีต่อมา Edward Lorenz ได้พบว่า ในการใช้คอมพิวเตอร์พยากรณ์สภาพดินฟ้าอากาศ ถ้าข้อมูลเบื้องต้นเปลี่ยนไปแม้แต่เพียงเล็กน้อย ผลลัพธ์สุดท้ายอาจเปลี่ยนแปลงมาก ปรากฏการณ์ผีเสื้อ (butterfly effect) จึงแสดงให้เห็นว่า ดินฟ้าอากาศ เป็นเรื่องที่ไม่มีใครสามารถพยากรณ์ได้ถูกต้อง 100% เพราะเพียงแต่ข้อมูลเบื้องต้นผิดพลาด แม้แต่น้อยนิดความถูกต้องของการพยากรณ์ก็แทบไม่มีอะไรเหลือดังมีการเปรียบเทียบว่า การกระพือปีกของผีเสื้อที่ Texas สามารถทำให้เกิดพายุเฮอริเคนที่อเมริกาใต้ได้

ในความเป็นจริง ไม่เพียงแต่คณิตศาสตร์เท่านั้นที่มีปัญหาในการพยากรณ์อากาศ ฟิสิกส์เองก็มีปัญหาเช่นกันเพราะนักฟิสิกส์ไม่สามารถตั้งสมการที่บรรยายอันตรกริยาต่างๆ ระหว่างเมฆ อากาศ อุณหภูมิ ความหนาแน่นในการคมนาคมของรถยนตร์ ป่าไม้ น้ำทะเล พื้นดิน แสงอาทิตย์ ปริมาณการปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจก ฯลฯ ได้สมบูรณ์ เพราะตัวแปรทั้งหลายนี้ขึ้นกับเวลา และสถานที่

ถึงแม้การวิจัยอุตุนิยมวิทยาจะยุ่งยากและซับซ้อนสักเพียงใด นักวิจัยที่ศูนย์ Hadley ของกรมอุตุนิยมวิทยาแห่งอังกฤษ ในเมือง Exeter ก็ยังมีความพยายาม โดยมี supercomputer หลายเครื่องเข้ามาช่วยในการประมวลข้อมูลจำนวนนับล้านในทุกชั่วโมง เพื่อใช้พยากรณ์อากาศรอบโลกที่มีประชากรร่วม 7,000 ล้านคนได้รับทราบ

George Hadley เป็นนักอุตุนิยมวิทยาสมัครเล่นชาวอังกฤษ (รัชสมัยสมเด็จพระเจ้าบรมโกฎ) ผู้ได้เสนอแบบจำลองเกี่ยวกับการไหลวนของมวลอากาศเหนือผิวโลกว่า เกิดจากการที่อากาศในบริเวณเส้นศูนย์สูตรของโลกได้รับแสงอาทิตย์ในปริมาณมากกว่าที่อื่น ทำให้อากาศในบริเวณนี้มีอุณหภูมิสูงจึงลอยขึ้น มีผลทำให้ความดันอากาศในบริเวณที่อยู่เบื้องต่ำมีค่าน้อยลง อากาศที่ลอยขึ้นอาจเคลื่อนที่ไปทางทิศเหนือหรือใต้ ซึ่งเป็นบริเวณที่รับแสงอาทิตย์น้อยกว่า อุณหภูมิของอากาศจึงลดลง และมวลอากาศจะจมลง มีผลทำให้ความดันอากาศ ณ ตำแหน่งเส้นรุ้งที่อยู่เหนือและใต้เส้นศูนย์สูตรมีค่ามาก ความดันอากาศที่เกิดขึ้นจึงผลักดันมวลอากาศให้เคลื่อนที่เข้าหาบริเวณเส้นศูนย์สูตร เพราะที่นั่นมีความดันอากาศน้อยกว่า ผลที่ตามมาคือการเกิดกระแสลมไหลวนเป็นวง แต่เมื่อโลกหมุนจากทิศตะวันตกไปทิศตะวันออก ดังนั้นมวลอากาศจะถูกแรง Coriolis กระทำผลักให้ลมที่พัดเข้าสู่เส้นศูนย์สูตรเบนทิศการเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตก ส่วนลมที่พัดหนีจากเส้นศูนย์สูตรจะเบนทิศไปทางทิศตะวันออก กลายเป็นลมสินค้า การหมุนวนของบรรยากาศโลกในลักษณะนี้ทำให้เกิดบริเวณที่เรียกว่า Hadley cell

ศูนย์ Hadley ของอังกฤษได้ตั้งความหวังว่าจะพยากรณ์อากาศทั่วโลกได้อย่างถูกต้องจนถึงปี 2100 เพื่อให้องค์การ Intergovernmental Climate Change (IPCC) สามารถใช้คำพยากรณ์นี้ในการทำรายงานอากาศทุกปี

ตามปกติเวลานักอุตุนิยมวิทยาใช้แบบจำลองในการคำนวณ เขาจะพิจารณาปัจจัยใหญ่น้อยที่เกี่ยวข้องมากมาย เช่น องค์ประกอบต่างๆ ของบรรยากาศ ปริมาณแสงแดดที่บริเวณได้รับ พื้นที่และชนิดของป่าที่อาจเปลี่ยนแปลงขนาด เพราะป่าถูกตัด น้ำทะเลที่มีสภาพกรดเพิ่มตลอดเวลา เพราะได้ดูดซับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไป รวมถึงปริมาณฝุ่นละอองและเถ้าถ่านที่เกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟ ปริมาณแก๊สเรือนกระจกที่ไม่คงตัว ฯลฯ การนำตัวแปรมากมายมาพิจารณาในแบบจำลองก็เพื่อให้คำพยากรณ์ถูกต้องหรือใกล้เคียงเป็นความจริงมากที่สุด และในเวลาเดียวกัน ถ้ามีการพบว่าตัวแปรตัวใดไม่เหมาะสมหรือไม่ถูกต้อง จนทำให้เกิดความผิดพลาดร้ายแรงในการพยากรณ์ นักอุตุนิยมวิทยาก็จะปรับแก้ตัวแปรในแบบจำลองทันที

จะอย่างไรก็ตามขณะนี้มีแบบจำลองหนึ่งที่เป็นรู้จักในนาม HadGEM2-ES จากคำเต็มว่า Hadley Centre Global Environmental Model ชุดที่ 2 ซึ่งรวมระบบ Earth – System เข้าไปด้วย แบบจำลองนี้มีความจำเป็นต้องใช้สมการอนุพันธ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นใน 3 มิติเพื่อพยากรณ์สภาพอากาศในสถานที่ต่างๆ ของโลก โดยมีสถานีสำรวจสภาพ 192 แห่ง ที่ตั้งอยู่ในแนวตะวันออก – ตะวันตก และ 144 แห่งที่ตั้งอยู่ในแนวเหนือ-ใต้ ส่วนการพิจารณาสถานภาพของชั้นบรรยากาศนั้นได้ถูกแบ่งออกเป็นชั้นที่มีความหนาต่างๆ กัน รวมทั้งสิ้น 38 ชั้น โดยให้ชั้นบรรยากาศที่อยู่เหนือทวีปมีความหนาประมาณ 20 เมตร ส่วนชั้นบรรยากาศที่อยู่เหนือมหาสมุทรมีความหนามากกว่า 20 เมตร

เอกลักษณ์ที่โดดเด่นอีกประการหนึ่งของความพยายามที่จะพยากรณ์นี้ คือได้พิจารณารายละเอียดของปฏิกริยาเคมีต่างๆ ที่เกิดขึ้นในบรรยากาศโลก พลวัตรของป่าที่เปลี่ยนแปลงตามฤดู สภาพทางกายภาพและชีวภาพของ phytoplankton ในทะเล และการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยา ในส่วนที่เกี่ยวกับป่านั้นก็ได้มีการแบ่งป่าตามชนิดของพืชที่มีในป่าและฤดู แต่แบบจำลองนี้ก็มีข้อจำกัดตรงที่นักวิชาการไม่สามารถใช้สมการที่แสดงการอุบัติ และการสลายตัวของเมฆในท้องฟ้าได้ จึงยังไม่สามารถรู้ผลที่เกิดตามมาว่า เมฆได้ดูดกลืนหรือสะท้อนรังสีต่างๆ ในบรรยากาศอย่างไร และเพียงใด ตัวแปรนี้จึงมีบทบาทที่ทำให้คำพยากรณ์ต่างๆ ผิดพลาดได้มากที่สุด

HadGEM2-ES มิได้เป็นแบบจำลองหนึ่งเดียวที่ IPCC จะนำไปใช้ เพราะแบบจำลองอากาศของประเทศอื่นๆ เช่น ออสเตรเลีย แคนาดา จีน ฝรั่งเศส เยอรมนี ญี่ปุ่น และนอร์เวย์ก็มีเช่นกัน ส่วนที่แตกต่างของแบบจำลองคือทุกแบบมีตัวแปรและเงื่อนไขต่างๆ ที่ไม่เหมือนกัน การตรวจสอบคำพยากรณ์ของแบบจำลองจะเป็นตัวตัดสินว่าแบบจำลองใดดีที่สุด

ในอเมริกาเองก็มีองค์การหลายหน่วยที่ทำหน้าที่พยากรณ์อากาศ และใช้ข้อมูลพยากรณ์ เช่น Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), National Weather Service (NWS) ฯลฯ รวมถึงหน่วยวิจัยด้านอุตุนิยมในมหาวิทยาลัยต่างๆ ด้วย

โดยที่ GFDL มี Shian-Jiann Lin เป็นหัวหน้า เขาเกิดเมื่อปี 1958 ที่ Taipei ใน Taiwan และเข้าศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ที่ National Taiwan University การฝึกใช้ microprocessor ในการเรียนอุตุนิยมวิทยากับพลศาสตร์ของไหลทำให้ Lin หันมาสนใจการพยากรณ์อากาศเกี่ยวกับการเกิดพายุเฮอริเคนมาก เพราะไต้หวันถูกพายุเฮอริเคนคุกคามบ่อย แต่ที่ไต้หวันไม่มีสถานที่ให้วิจัยเรื่องนี้ Lin จึงย้ายไปเรียนที่มหาวิทยาลัย Oklahoma ในอเมริกาเพราะที่นั่นมีค่าเล่าเรียนถูก

ความสามารถด้านคอมพิวเตอร์ที่โดดเด่นมากของ Lin ชักนำให้อาจารย์ที่ปรึกษาเสนอให้ Lin ไปวิจัยที่มหาวิทยาลัย Princeton ในโครงการ GFDL ของชาติ และ Lin ก็ได้พบว่า นักอุตุนิยมวิทยากับนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจเรื่องอากาศมักทำงานแยกกัน เช่น นักอุตุนิยมวิทยา จะตั้งหน้าตั้งตารับข้อมูลจากดาวเทียมสำรวจอากาศ บอลลูน ทุ่นในทะเล สถานีวัดความเร็วลม ฯลฯ แล้วป้อนข้อมูลเหล่านั้นเข้าเครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อให้พยากรณ์อากาศล่วงหน้าในระยะเวลาสั้นๆ (ไม่เกิน 10 วัน) โดยใช้แบบจำลองต่างๆ ที่ตนศรัทธา ทั้งๆ ที่ไม่เข้าใจหลักการ และเงื่อนไขที่ใช้ได้ดี ส่วนนักวิทยาศาสตร์ก็สนใจจะสร้างแบบจำลองลูกเดียว และสนใจเรื่องการพยากรณ์ระยะยาว แต่ไม่มีข้อมูลอากาศที่ละเอียดและทันเวลา

Lin จึงได้รวบรวมคนทั้งสองกลุ่มนี้ให้มาทำงานร่วมกัน ให้เข้าใจวิธีคิดของกันและกัน คือ ให้นักอุตุนิยมเข้าใจฟิสิกส์ของอากาศ และนักวิทยาศาสตร์ด้านอากาศก็ต้องรู้ว่าอย่างน้อยปรากฏการณ์ El Nino มีผลต่อสภาพอากาศทั่วโลกอย่างไร

ในการทำงานร่วมกันนี้ทุกคนได้พบว่า จำเป็นต้องออกแบบ grid 3 มิติ ตามแนวเส้นรุ้ง และเส้นแวงโดยที่จุดต่างๆ บน grid มีข้อมูลให้ computer ใช้ในการแก้สมการ แสดงการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลม ความดันอากาศ อุณหภูมิ ความชื้น ขณะเวลาต่างๆ ในทุกบริเวณของโลก เพราะบริเวณใดบริเวณหนึ่งสามารถมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงของอากาศในอีกบริเวณหนึ่ง ที่อยู่คนละซีกโลกได้ โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของ grid ซึ่งไม่จำเป็นต้องเป็นรูปทรงเรขาคณิต Lin สามารถพิจารณาเหตุการณ์ในแถบขั้วโลก ที่เกิดในบริเวณแคบๆ (ขนาด 2-3 กิโลเมตร) ได้ดีพอสมควร เช่น รู้ว่า พายุทอร์นาโดกับพายุหิมะจะเกิดในบริเวณนั้นหรือไม่ได้

ในปี 2017 นี้ เมื่อถึงฤดูที่มีพายุเฮอริเคนชุกชุม Lin จะนำแบบจำลองที่เขาสร้างในห้องปฏิบัติการออกไปใช้ในสถานการณ์จริง เพื่อทดสอบความเชื่อมั่นในความคิดของเขาและทีมทำงาน เพื่อให้หน่วยปกครองท้องถิ่นสามารถป้องกันภัยอากาศล่วงหน้าได้อย่างเหมาะสม

อ่านเพิ่มเติมจาก Make It Rain: State Control of the Atmosphere in Twentieth Century America โดย Kristine C. Harper จัดพิมพ์โดย University of Chicago Press ปี 2017






เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์