Dự báo thời tiết thuộc lĩnh vực nào của khoa học tự nhiên?
Dự báo thời tiết Hà Giang hôm nay, ngày mai và 3 ngày tới
Nghệ thuật và khoa học của việc dự báo thời tiết
VÀO NGÀY 15-10-1987, MỘT PHỤ NỮ GỌI ĐIỆN THOẠI ĐẾN MỘT ĐÀI TRUYỀN HÌNH Ở ANH VÀ BẢO RẰNG BÀ NGHE LÀ SẮP CÓ BÃO. NHÂN VIÊN DỰ BÁO THỜI TIẾT CAM ĐOAN VỚI KHÁN GIẢ: “XIN QUÍ VỊ ĐỪNG LO. KHÔNG CÓ ĐÂU”. TUY NHIÊN, ĐÊM HÔM ĐÓ MIỀN NAM NƯỚC ANH BỊ CƠN BÃO DỮ DỘI TÀN PHÁ 15 TRIỆU CÂY, LÀM 19 NGƯỜI CHẾT VÀ GÂY THIỆT HẠI LÊN ĐẾN 1,4 TỶ MỸ KIM.
MỖI sáng hàng triệu người chúng ta vặn radio và bật máy truyền hình để nghe dự báo thời tiết. Phải chăng trời có mây nghĩa là có mưa? Trời nắng ban mai có nắng nguyên ngày không? Nhiệt độ tăng lên có làm tuyết và nước đá tan không? Một khi nghe dự báo thời tiết, chúng ta quyết định mặc quần áo nào và có nên mang theo dù hay không.
Tuy nhiên, thỉnh thoảng thời tiết không được dự báo chính xác cho lắm. Mặc dù độ chính xác của việc dự báo thời tiết đã gia tăng rõ rệt trong những năm gần đây, nhưng việc tiên đoán thời tiết, một kết hợp thú vị giữa nghệ thuật và khoa học, vẫn còn có nhiều sai lầm. Điều gì liên quan đến việc tiên đoán thời tiết và các dự báo thời tiết đáng tin cậy đến mức độ nào? Để trả lời, trước hết chúng ta hãy tìm hiểu dự báo thời tiết phát triển như thế nào.
Vào thời Kinh Thánh được viết ra, việc dự báo thời tiết chủ yếu dựa theo những sự quan sát bằng mắt thường. (Ma-thi-ơ 16:2, 3) Ngày nay, các nhà khí tượng học có sẵn nhiều dụng cụ tinh vi để sử dụng và điều căn bản nhất của những dụng cụ này là để đo áp suất không khí, nhiệt độ, độ ẩm và gió.
Năm 1643, nhà vật lý học người Ý là Evangelista Torricelli đã phát minh ra phong vũ biểu—một dụng cụ đơn giản để đo áp suất của không khí. Không lâu sau người ta nhận thấy là áp suất không khí tăng lên và hạ xuống khi thời tiết thay đổi và áp suất hạ xuống thường báo hiệu có bão. Ẩm kế, dụng cụ đo độ ẩm của không khí, được chế tạo vào năm 1664. Và năm 1714, nhà vật lý học người Đức là Daniel Fahrenheit đã sáng tạo ra nhiệt kế thủy ngân. Giờ đây người ta có thể đo nhiệt độ một cách chính xác.
Vào năm 1765, khoa học gia người Pháp là Antoine-Laurent Lavoisier đề nghị là mỗi ngày phải đo áp suất không khí, độ ẩm, tốc độ và hướng của gió. Ông tuyên bố: “Với tất cả tài liệu này, người ta hầu như luôn luôn có thể tiên đoán được thời tiết trước một hoặc hai ngày với mức độ khá chính xác”. Đáng tiếc điều này không đơn giản như vậy.
Năm 1854, một tàu chiến Pháp và 38 tàu buôn bị chìm trong một trận bão dữ dội ngoài hải cảng Crimean ở Balaklava. Nhà chức trách Pháp cử ông Urbain-Jean-Joseph Levernier, giám đốc Đài Thiên Văn Paris, đi điều tra. Qua việc xem xét sổ sách ghi chép về khí tượng, ông khám phá ra là trận bão đã thành hình hai ngày trước tai họa đó và đã quét ngang qua Châu Âu từ phía tây bắc sang phía đông nam. Nếu có một hệ thống theo dõi sự chuyển động của bão tố thì các tàu đó đã có thể được báo trước. Vì vậy, một dịch vụ quốc gia báo trước bão tố đã được thành lập tại Pháp. Khí tượng học hiện đại đã ra đời.
Tuy nhiên, cần có một phương pháp nhanh chóng để khoa học gia có thể nhận các dữ liệu về thời tiết từ những nơi khác. Và máy điện báo mà Samuel Morse mới phát minh chính là phương tiện đáp ứng việc này. Điều này giúp Đài Thiên Văn Paris có thể bắt đầu xuất bản những bản đồ thời tiết đầu tiên theo khổ hiện đại vào năm 1863. Năm 1872, Văn Phòng Khí Tượng Anh cũng làm như vậy.
Càng thu được nhiều dữ liệu các nhà khí tượng học càng nhận thức thời tiết hết sức phức tạp. Người ta đặt ra những dấu hiệu đồ họa để làm biểu tượng, nhờ đó bản đồ thời tiết có thể cho người ta thêm tin tức. Thí dụ, đường đẳng áp là đường vẽ dùng để nối các điểm có cùng một áp suất không khí. Đường đẳng nhiệt nối các điểm có cùng một nhiệt độ. Bản đồ thời tiết cũng có những ký hiệu cho biết hướng và sức mạnh của gió, cùng với những đường cho thấy khối không khí nóng và lạnh gặp nhau.
Người ta cũng chế ra những dụng cụ tinh vi. Ngày nay hàng trăm trạm thời tiết khắp thế giới thả những khí cầu buộc theo máy thám trắc vô tuyến, là máy đo điều kiện khí quyển và rồi gửi trở lại tin tức bằng radio. Người ta cũng dùng hệ thống rađa. Bằng cách phóng các làn sóng radio vào những giọt mưa và những hạt nước đá trong mây để các làn sóng đó dội lại, các nhà khí tượng học có thể theo dõi sự chuyển động của bão tố.
Một bước tiến vượt bực trong việc quan sát thời tiết một cách chính xác đã đạt được vào năm 1960 khi người ta phóng lên trời TIROS I, vệ tinh khí tượng đầu tiên của thế giới trang bị với máy ảnh truyền hình. Ngày nay các vệ tinh khí tượng bay theo quỹ đạo trái đất từ cực này đến cực kia, trong khi các vệ tinh địa tĩnh thì giữ một vị trí cố định trên mặt của trái đất và liên tục giám sát phần trái đất nằm trong phạm vi nhìn thấy của chúng. Cả hai loại vệ tinh này phát xuống trái đất những hình ảnh về thời tiết, thấy được từ trên cao.
Biết rõ thời tiết ngay bây giờ là một chuyện, nhưng tiên đoán khí hậu sẽ ra sao sau một tiếng, một ngày hoặc một tuần lại là một chuyện khác. Không lâu sau Thế Chiến I, nhà khí tượng học người Anh là Lewis Richardson cho rằng ông có thể dùng toán để tiên đoán thời tiết vì khí quyển theo những định luật vật lý. Tuy nhiên, những công thức này quá phức tạp và cách tính toán mất quá nhiều thì giờ nên những frông thời tiết đã biến mất trước khi các chuyên viên dự báo thời tiết tính toán xong. Ngoài ra Richardson dùng những số đo thời tiết mà người ta đọc mỗi sáu tiếng một lần. Nhà khí tượng học người Pháp là René Chaboud nhận xét: “Một dự báo thời tiết chỉ hơi chính xác đòi hỏi lấy số đo cách nhau tối đa 30 phút”.
Tuy nhiên, với sự xuất hiện của máy điện toán, người ta có thể làm những con toán dài một cách nhanh chóng. Các nhà khí tượng học dùng cách tính toán của ông Richardson để phát triển một mô hình phức tạp bằng số—một loạt phương trình toán học bao gồm tất cả các định luật vật lý chi phối thời tiết.
Để dùng những phương trình này, các nhà khí tượng học chia mặt đất ra thành một mạng ô vuông. Hiện nay mô hình địa cầu mà Sở Khí Tượng Anh dùng có những điểm trên mạng đặt cách nhau khoảng 80 kilômét. Bầu khí quyển trên mỗi ô vuông được gọi là một khung và người ta ghi những gì đã quan sát được về gió, áp suất không khí, nhiệt độ và độ ẩm ở 20 độ cao khác nhau. Máy điện toán phân tích các số liệu từ các trạm quan sát trên toàn thế giới—hơn 3.500 trạm—gửi đến và rồi đưa ra một dự báo tiên đoán thời tiết thế giới sẽ ra sao trong 15 phút kế tiếp. Khi xong, một dự báo khác về thời tiết 15 phút sau đó được chuẩn bị một cách nhanh chóng. Lặp đi lặp lại cách này nhiều lần, chỉ trong vòng 15 phút máy điện toán có thể cho biết trước thời tiết của sáu ngày trên khắp trái đất.
Nhằm mục đích có nhiều chi tiết và chính xác hơn trong việc dự báo thời tiết địa phương, Sở Khí Tượng Anh dùng Mô Hình Vùng Giới Hạn, bao gồm những vùng Bắc Đại Tây Dương và Châu Âu. Sở này dùng các điểm trên mạng ô vuông đặt cách nhau khoảng 50 kilômét. Có một mô hình khác chỉ bao gồm Quần Đảo Anh và các vùng biển phụ cận. Mô hình này có 262.384 điểm mạng lưới cách nhau 15 kilômét và có 31 tầng.
Tuy nhiên, việc dự báo thời tiết không phải chỉ hoàn toàn dựa vào khoa học. Thể theo sách bách khoa The World Book Encyclopedia thì “những công thức mà máy điện toán dùng chỉ miêu tả một cách phỏng chừng cách chuyển động của bầu khí quyển”. Hơn nữa, ngay cả một dự đoán chính xác cho một vùng rộng lớn, có thể người ta không kể đến tác động của địa hình địa phương trên thời tiết. Vì thế, người ta cần đến kỹ thuật của người dự báo thời tiết. Họ dùng kinh nghiệm và óc suy xét của mình để định giá trị cho những dữ liệu nhận được. Điều này giúp họ dự báo chính xác hơn.
Thí dụ, khi khí lạnh gần Bắc Hải thổi ngang qua Âu Châu thì thường có một lớp mây mỏng tụ lại. Việc lớp mây mỏng này báo trước lục địa Âu Châu có mưa vào ngày hôm sau hay chỉ bốc hơi dưới sức nóng mặt trời, tùy thuộc vào nhiệt độ chênh lệch nhau vỏn vẹn có vài phần mười độ. Dữ liệu mà người dự báo thời tiết có, cùng với kiến thức về những trường hợp tương tự trước đó có thể giúp họ cho những ý kiến đáng tin cậy. Sự phối hợp giữa nghệ thuật và khoa học là điều rất quan trọng để đưa ra những lời dự báo chính xác.
Hiện nay Sở Khí Tượng Anh cho rằng họ chính xác 86 phần trăm trong các dự báo trong vòng 24 giờ. Các phỏng đoán cho năm ngày của Trung Tâm Âu Châu Dự Báo Thời Tiết Hạng Trung đạt được độ chính xác 80 phần trăm—cao hơn độ tin cậy của các dự báo cho hai ngày vào đầu thập niên 1970. Thành tích này gây ấn tượng sâu sắc nhưng không hoàn toàn chút nào. Tại sao các dự báo không đáng tin cậy hơn?
Vì lý do đơn giản là các hệ thống thời tiết cực kỳ phức tạp. Và người ta không thể nào đo tất cả những gì cần có để dự đoán chắc chắn. Những vùng biển mênh mông không có những phao khí tượng để phát dữ liệu qua vệ tinh cho các trạm trên đất. Rất hiếm khi các điểm trên mạng ô vuông của mô hình thời tiết nằm ngay tại vị trí của các đài quan sát thời tiết. Ngoài ra khoa học gia vẫn không hiểu được tất cả các lực thiên nhiên có ảnh hưởng đến thời tiết của chúng ta.
Tuy nhiên, người ta luôn luôn cải tiến việc dự báo thời tiết. Thí dụ, cho đến gần đây, việc dự báo thời tiết tùy thuộc phần lớn vào việc quan sát bầu khí quyển. Nhưng với 71 phần trăm bề mặt của trái đất bị nước che phủ, các nhà nghiên cứu hiện nay đang tập trung sự chú ý vào cách năng lượng được dự trữ và chuyển từ biển lên không khí. Qua một hệ thống các phao, Hệ Thống Quan Sát Đại Dương Toàn Cầu cung cấp tin tức về những sự gia tăng rất nhỏ của nhiệt độ nước tại một vùng có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho thời tiết ở nơi rất xa.
Có người hỏi tộc trưởng Gióp: “Ai có thể hiểu được cách mây giăng ra, và tiếng lôi đình của nhà trại [Đức Chúa Trời]?” (Gióp 36:29) Ngày nay loài người vẫn còn hiểu tương đối ít về sự tạo dạng của thời tiết. Dù sao đi nữa, việc dự báo hiện đại về thời tiết đủ chính xác để đáng được chúng ta tin. Nói một cách khác, lần sau nếu người dự báo thời tiết nói là rất có thể mưa thì bạn có lẽ nên vớ lấy cây dù.
Lavoisier trong phòng thí nghiệm
Nhiệt kế bằng thủy tinh thời xưa
Hình Leverrier, Lavoisier, và Torricelli: Brown Brothers
Nhiệt kế: © G. Tomsich, Science Source/Photo Researchers
Vệ tinh, khí cầu khí tượng, và máy điện toán là vài dụng cụ của người dự báo thời tiết
Vệ tinh: NOAA/Department of Commerce; bão táp: Hình NASA
Chỉ huy trưởng John Bortniak, NOAA Corps
