La meteorologia no té només en compte els canvis físics i químics de l’atmosfera, sinó també els diversos efectes directes d’aquesta sobre la superfície de la Terra, els oceans i la vida en general. Hom empra el mot “temps” per a designar l’estat o les condicions de l’atmosfera; així, hom parla de fred o de calor, cel cobert o esboirat, precipitació (pluja, neu, etc.), boira i moviment de l’aire (vent). Aquests components, caracteritzats per la temperatura, el vapor d’aigua i el moviment de l’aire, poden combinar- se entre ells de distintes maneres i donar com a resultat les diferents varietats de temps.
La meteorologia, actualment considerada com una de les branques de la geofísica, pot ésser classificada en diferents parts. La meteorologia analítica observa per separat els elements físics del temps: temperatura, vent, precipitacions, etc. La meteorologia dinàmica cerca les lleis dels moviments de l’atmosfera i la relació d’aquests moviments amb els diversos aspectes del temps. Comprèn també una part teòrica, fonamentada essencialment en la hidrodinàmica i la termodinàmica. En els estudis pràctics de la meteorologia dinàmica, hom utilitza mapes i diagrames que representen esquemàticament l’estat de l’atmosfera, a unes hores determinades i sobre una extensió restringida, anomenada espai sinòptic. Aquests estudis pràctics constitueixen la meteorologia sinòptica, i són aplicats diàriament per a la previsió del temps. La meteorologia agrícola s’ocupa dels efectes que l’atmosfera produeix en els conreus, i la meteorologia mèdica intenta conèixer els efectes del temps o dels seus elements sobre l’organisme humà. Cal esmentar també l'aerologia, que estudia l’estructura de les capes més altes de l’atmosfera, i sobretot la climatologia, que estudia el clima i la distribució espacial dels valors mitjans, bé dels elements de l’atmosfera al nivell del sòl (climatologia clàssica), bé de la distribució espacial dels tipus de temps en el sòl i a diferents altures (climatologia dinàmica), i la microclimatologia, que estudia els microclima i les aplicacions d’aquest concepte a l’agricultura, a la biologia, al confort humà, etc.
Història de la meteorologia
Els primers coneixements de la meteorologia foren empírics. Xenòfanes de Colofó, al segle VI aC, féu la divisió de la Terra en zones, atenent les condicions d’il·luminació solar i temperatura i segons la variació dels dies i les nits. El primer estudi sistemàtic fou fet per Aristòtil en la seva Meteorològica. Però aquests intents no anaven més enllà de la mera descripció; calgué arribar als segles XVII i XVIII perquè, amb la invenció d’instruments de mesura dels elements meteorològics, aquest saber es convertís en ciència. L’instrument meteorològic més antic és el penell, conegut ja abans de l’era cristiana. L'anemòmetre, utilitzat per a mesurar la velocitat del vent, fou concebut per Leonardo da Vinci, vers l’any 1500, i fou desenvolupat per Robert Hook, el 1667. El termòmetre fou inventat per Galileu el 1607, i el pluviòmetre fou inventat probablement en aquesta mateixa època. El 1643 Evangelista Torricelli descobrí el principi del baròmetre per a determinar el pes de l’atmosfera, i el 1658 Pascal estudià les variacions anuals de la pressió i indicà, juntament amb Sinclair, la disminució de la pressió amb l’altura. Al segle XVII, hom començà a fer les primeres observacions de la temperatura, de la pressió i de la pluja. Durant aquesta mateixa època de desenvolupament d’instruments i d’observació del comportament atmosfèric foren descobertes diverses propietats dels gasos; la llei de Boyle (segle XVII) i la de Charles (segle XVIII) demostren que la densitat dels gasos creix amb la pressió i disminueix amb l’augment de la temperatura. El 1800 John Dalton desenvolupà la teoria sobre l’escalfament i el refredament dels gasos per compressió i expansió, que són fonamentals per a l’explicació de la formació dels núvols.
El concepte dinàmic dels sistemes atmosfèrics demostra que el temps no és un fenomen estrictament local, i aquest no fou analitzat fins que les observacions en diferents llocs o en diferents instants foren recollides i comparades. A la darreria del segle XVIII i a la primeria del XIX un grup de científics europeus establiren una xarxa d’estacions meteorològiques, i així aparegueren els primers mapes del temps. Però fins a la invenció del telègraf no fou possible de reunir simultàniament les observacions de diversos llocs. Aquesta cooperació internacional, iniciada l’any 1850, es desenvolupà sobretot després de la Primera Guerra Mundial. Durant aquests anys, els meteoròlegs escandinaus, basant-se en un escrutini minuciós de les observacions, desenvoluparen matemàticament la teoria de les masses d’aire i dels fronts. Aquest grup, dirigit per V. F. K. Bjerknes i pel seu fill, construí els primers models de sistemes atmosfèrics, que constitueixen el punt de partida de les modernes teories dels sistemes atmosfèrics. El coneixement de les capes altes de l’atmosfera fou iniciat amb el globus i amb l’ajuda de l’aviació, però a partir del 1930 fou emprat el radiosonda, que, portat per un globus uns quants quilòmetres sobre la superfície terrestre, envia informació de la temperatura de l’aire, la pressió i la humitat, i permet, així, de poder fer el traçat de mapes d’altura.
La meteorologia ha experimentat un important avenç durant les últimes dècades. L’espectacular desenvolupament tecnològic aconseguit a la segona meitat del segle XX ha influït de manera decisiva en el progrés d’aquesta ciència, en el qual han intervingut els factors següents: la millora en les tècniques habituals d’observació meteorològica, el desenvolupament de noves tècniques alternatives, la utilització dels moderns sistemes de comunicació i transmissió d’informació i l’ús dels més potents ordinadors en el camp de la predicció del temps. Així, les modernes estacions automàtiques que mesuren i enregistren de manera gairebé contínua les principals variables meteorològiques (pressió, temperatura, humitat, vent, etc.) han permès d’augmentar considerablement el nombre de punts d’observació sobre la superfície del planeta. A més, l’enregistrament de les dades en suport magnètic facilita extraordinàriament el tractament estadístic de les sèries meteorològiques, una contribució important al coneixement del comportament de les distintes variables que determinen l’estat del temps i del clima en cada lloc. D’altra banda, la transmissió de les dades en temps real per ràdio i línia telefònica fan possible concentrar la informació en centres regionals especialitzats, la qual cosa facilita, en molts casos, el seguiment i la predicció de situacions atmosfèriques que poden resultar perilloses o fins i tot catastròfiques. En aquest camp, la contribució de l’observació remota de l’atmosfera per mitjà del radar i els satèl·lits meteorològics ha estat importantíssima. Arran dels primers usos militars del radar a la Segona Guerra Mundial, els quals responien a la necessitat de suprimir les interferències causades per la precipitació, es posà de manifest la seva possible aplicació a la meteorologia. Al final dels anys quaranta hom ja coneixia bé l’efecte que la pluja produeix en la propagació dels impulsos d’energia electromagnètica emesos pel radar. Quan les gotes intercepten part del feix emès, una petita fracció d’energia és tornada en la direcció incident i posteriorment detectada per l’antena de l’equip. El senyal rebut permet de calcular la quantitat d’aigua present en la zona de l’atmosfera observada; la comparació posterior d’aquesta quantitat amb la intensitat de pluja enregistrada en el sòl, mitjançant pluviòmetres adequats, fa possible el calibratge del radar. La aplicació d’aquest aparell en el diagnòstic i el pronòstic a molt curt termini de la quantitat de precipitació és actualment de gran utilitat en les tasques de predicció meteorològica.
Durant la dècada dels vuitanta foren molts els països que iniciaren la creació de xarxes de radars meteorològics. A l’Estat espanyol la xarxa projectada consta de 13 radars, 8 d’ells de banda s. (longitud d’ona de 10 cm) i 5 de banda C (longitud d’ona de 5 cm). D’uns anys ençà, la utilització del radar Doppler ha millorat notablement la informació de l’estructura tridimensional dels sistemes nuvolosos. Els últims vint anys els satèl·lits meteorològics han esdevingut també una eina indispensable de la meteorologia. Tant els satèl·lits d’òrbita polar (que giren al voltant de la Terra a una altitud d’uns 800 km en una òrbita molt inclinada respecte a l’equador i que passen pròxims a la vertical dels pols) com els satèl·lits geoestacionaris (que giren amb la mateixa velocitat angular que la Terra, a uns 36 000 km) són proveïts de radiòmetres capaços de captar la radiació reflectida per la Terra en distints dominis de l’espectre electromagnètic. Això fa que sigui possible disposar d’imatges de la cobertora nuvolosa de la superfície del planeta, la qual cosa permet identificar-la i obtenir-ne l’evolució temporal, que tanta importància té en la predicció del temps. Ultra aquesta informació, els satèl·lits proporcionen dades de vent en la troposfera i, gràcies a la teledetecció activa, són capaços de determinar perfils de temperatura i humitat cada cop més fiables. Si el progrés experimentat els últims temps en el camp de l’observació meteorològica ha estat espectacular, no menys extraordinari ha resultat l’avenç en els mètodes utilitzats en la predicció del temps els darrers quaranta anys. Atès que l’atmosfera és un medi continu, els fenòmens que hi tenen lloc abracen un ampli espectre d’escales de moviment: des de les atòmiques i moleculars fins a les corresponents a les grans ones planetàries, les longituds d’ona de les quals són de l’ordre de 10.000 km. Els remolins d’aire que es formen a sotavent de petits obstacles, els tornados, els cumulonimbes, els huracans, les borrasques de les nostres latituds i els anticiclons són alguns exemples de manifestacions les escales de les quals es troben entre les dues anteriors.
La principal dificultat de la predicció meteorològica radica en la impossibilitat d’aïllar qualsevol d’aquestes organitzacions de la resta de la circulació atmosfèrica. Hom tracta, doncs, d’estudiar el moviment en el seu conjunt, ja que existeix una contínua interacció entre sistemes corresponents a escales de moviment diferents. El problema sembla que quedaria resolt en aplicar les lleis que regeixen el moviment d’un fluid en el camp gravitatori terrestre. Això no obstant, la complexitat del sistema d’equacions que resulta fa que hom no conegui una solució analítica exacta. Per tant, hom ha de resoldre el sistema de manera aproximada, utilitzant mètodes numèrics apropiats. Atès el nombre de variables que hi intervenen i les enormes dimensions del sistema que hom estudia, el nombre d’operacions matemàtiques necessàries és tan extraordinàriament elevat que el problema només ha pogut ésser resolt amb l’arribada de l’ordinador. No obstant això, hom realitzà el primer intent de resoldre les equacions del temps per un mètode numèric molt abans, quan ni tan sols somiava amb la possibilitat que una màquina pogués resoldre operacions aritmètiques de manera automàtica. Fou cap a l’any 1920 que el físic anglès Lewis Fry Richardson (1881-1953) aplicà el mètode de diferències finites per a trobar solucions aproximades a les equacions diferencials que regeixen el comportament de l’atmosfera. Richardson escollí una porció d’atmosfera de 1.000 x 1.000 km2 aproximadament i establí un malla d’uns 200 km de costat en la horitzontal i cinc nivells en la vertical. Partint de les dades de vent, pressió, densitat, etc., en certs punts d’aquesta xarxa i aplicant el mètode esmentat, arribà a calcular la pressió que existiria en el punt mitjà sis hores més tard. Encara que el resultat hagués estat encertat —fet que no ocorregué per diverses causes difícils d’analitzar aquí—, el mètode no podria haver-se aplicat en aquell moment per a predir el temps de manera rutinària, ja que, com el mateix Richardson comentà en el seu llibre Weather Prediction by Numerical Process (1922), hauria estat necessari disposar d’un conjunt de 64 000 calculadors ràpids per a resoldre el sistema d’equacions en una àrea extensa (ell invertí força setmanes a calcular la pressió en un sol punt).
Hagué de transcórrer un quart de segle perquè hom plantegés de nou el problema. Fou a la conferència de meteorologia celebrada a Princeton (Nova Jersey) l’agost de l’any 1946, la qual reuní els més prestigiosos científics de l’època en el camp de la meteorologia, on hom proposà la creació d’un grup que tractés d’elaborar el que seria la primera predicció del temps per mètodes numèrics. El març de 1950 a Aberdeen (Maryland) un grup de meteoròlegs d’anomenada, entre els quals es trobaven Charney, Platzman, Fjǿrtoft i Smagorinsky dirigits per John von Neumann (un dels dissenyadors de l’ordinador electrònic) aconseguí predir amb notable èxit el mapa meteorològic de la superfície de 500 hPa previst per a 24 hores. Havien plantejat un model molt simple d’atmosfera (model barotròpic) d’un sol nivell, que integraren numèricament utilitzant la primera computadora electrònica: l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Al final de la dècada dels cinquanta i al llarg dels anys seixanta, la predicció del temps per mètodes numèrics experimentà un important progrés tant als EUA com a Europa, on l’institut de meteorologia de la Universitat d’Estocolm tingué especial protagonisme. Des del primer pronòstic fins avui han passat quatre dècades en les quals hom ha anat perfeccionant progressivament els models utilitzats: del senzill esquema atmòsferic d’un sol nivell hom ha arribat als que contemplen més de 15 capes en la vertical i tenen en compte l’orografia, les línies de costa, la temperatura del mar i la intensitat de la llum terrestre, entre molts altres factors. Amb tot això, dia a dia, es va millorant la predicció. Així, mentre que en els anys seixanta els pronòstics a dos dies presentaven uns percentatges d’èxit del 80% i solament del 50% per a quatre dies, en la dècada dels vuitanta hom aconseguia el 80% d’èxit per a tres dies i mig i el 50% per a sis dies i mig. Avui, en qualsevol oficina meteorològica, hom pot rebre els pronòstics a deu dies que elabora el Centre Europeu de Predicció a Termini Mitjà, els quals, juntament amb les imatges obtingudes pels satèl·lits meteorològics, són de gran ajut a l’hora d’elaborar i difondre els comunicats sobre l’estat previst del temps. Malgrat l’espectacular progrés d’aquesta ciència els últims temps, els experts coincideixen en la idea que la predictibilitat de l’atmosfera té un limit natural imposat, d’una banda, per les inevitables imperfeccions del model escollit, i pels mètodes utilitzats per a resoldre-ho, i, de l’altra, pels errors comesos en determinar l’estat inicial de l’atmosfera. Aquests són condicionats per l’estructura de la xarxa mundial d’observació meteorològica, la qual, com és lògic, no pot multiplicar indefinidament el nombre de punts d’observació.
Els estudis meteorològics als Països Catalans
A partir del redreç del segle XVIII, alguns científics catalans començaren a recollir regularment dades meteorològiques. Hom començà a realitzar mesures de forma sistemàtica d’ençà de la creació de la Conferència Fisicomatemàtica Experimental, nucli fundacional de l’Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona. Durant la primera meitat del segle XIX la meteorologia gaudí d’una notable popularització gràcies a la publicació regular, en molts diaris, de dades meteorològiques. Sota l’impuls de la Renaixença, la meteorologia fou conreada per les agrupacions excursionistes i per d’altres entitats de cultura. Hom instal·là observatoris primitius al Turó de l’Home i a Sant Jeroni de Montserrat (1880). D’altra banda, començaren a publicar-se revistes com Crònica Científica (1879-92) i La Atmósfera (1892), aquesta darrera dedicada exclusivament a la informació meteorològica. El 1894, H. Gorria creà la Xarxa Pluviomètrica de Catalunya i Balears en la qual a partir del 1895 participà Eduard Fontserè i el 1896 Rafael Patxot i Jubert creà l’anomenada Xarxa Patxot. Coincidint amb la fundació de la Societat Astronòmica de Barcelona (1910) i de la Societat Astronòmica d’Espanya i Amèrica (1911), Fontserè inicià el 1910 la publicació de la primera carta del temps. El 1913, amb l’ajut de l’IEC, creà la primera estació aerològica, on, ajudat per Pòlit, Jardí, Álvarez Castrillón i Campo, féu els primers sondeigs de les altes capes de l’atmosfera amb baló sonda. Aquest fou el nucli del Servei Meteorològic de Catalunya, de vida curta (1921-39), però que efectuà una tasca fonamental en tots els camps de la meteorologia, com es dedueix del fet que publicà les seves Notes d’Estudi i que participà en l’elaboració de l'Atlas Internacional de Núvols. Cal destacar la publicació de l'Atlas pluviomètric de Catalunya (1930) de Joaquim Febrer, i la invenció del pluviògraf d’intensitats Jardí. Impulsat per aquest nucli, el menorquí Hernández dugué a terme nombrosos estudis sobre la meteorologia menorquina, que continuà Jansà tot estenent-los a la resta de les Illes i al País Valencià. A Catalunya, d’ençà del 1939, l’Observatori Fabra ha continuat les observacions sistemàtiques, alhora que des de la càtedra de física de l’aire de la Universitat de Barcelona hom ha propagat la moderna meteorologia científica.