Numerisk vêrvarsling

Eit døme på ei prognose for geopotensiell høgd i 500 hPa frå ein numerisk vêrmodell

Numerisk vêrvarsling er ein metode å varsle vêret på ved hjelp av ein matematisk modell som nyttar siste vêrobservasjonar til å rekne ut vêret framover i tid. Dei første forsøka på å gjere dette vart gjort alt i 1920-åra, men det var først då datamaskinane kom på banen at det var mogeleg å gjere dette i praksis. For å kunne handsame dei enorme datasetta og utføre dei kompliserte utrekningane med ei oppløysing som er fin nok for å få gode nok resultat, krevs det dei mest kraftige supercomputerane i verda. Fleire varslingsmodellar, både globalt og regionalt, vert køyrd for å hjelpe vêrvarslarar verda over. Ved hjelp av ensemblevarsling kan ein seie noko om kor sikkert eit vêrvarsel er og strekkje den sikre vêrvarslingperioden lenger fram enn det som elles ville vore mogeleg.

Fysisk oversyn

Atmosfæren er ei væske. Numerisk vêrvarsling bygger på at om ein veit tilstanden til væska ved eit visst tidspunkt, så kan ein ved hjelp av likningane i væskedynamikk og termodynamikk estimere tilstanden til væska eit tidspunkt i framtida.

Historie

Den britiske matematikaren Lewis Fry Richardson var den første som prøvde seg på numerisk vêrvarsling i 1922. På grunn av for dårleg kjennskap til metodane klarte han det derimot ikkje. Det første suksessrike numeriske varselet vart gjort i 1950 av dei amerikanske meteorologane Jule Charney, Philip Thompson, Larry Gates og den norske meteorologen Ragnar Fjörtoft, samt matematikaren John von Neumann. Dei nytta ein ENIAC digital datamaskin og ei forenkla utgåve av atmosfærisk dynamikk basert på den barotropiske virvlingslikninga. Denne forenklinga gjorde at ein ikkje trengde like mykje datakraft og dataminne for å gjere varselet, og utrekningane kunne utførast av dei relativt primitve datamaskinane som fanst på denne tida. Seinare modellar nytta meir komplette likningar for atmosfærisk dynamikk og atmosfærisk termodynamikk.

Operasjonell numerisk vêrvarsling (altså rutinemessige vêrvarsel som kunne nyttast i praksis) kom i gang i 1955 i eit samarbeidsprosjekt mellom U.S. Air Force, Navy og Weather Bureau.

Definisjon av varslingsmodell

Ein modell i denne samanhengen er eit dataprogram som produserer meteorologisk informasjon for framtida ved ein viss posisjon og ei viss høgd. Det horisonalte domenet til ein modell er anten global, dekkjer heile jorda, eller regional , som berre dekkjer delar av jorda.

Eit 96-timarsvarsel av geopotensiell høgd og temperatur i 850 hPa-nivået frå Global Forecast System

Varsla vert rekna ut med hjelp av matematiske likningar for fysikken og dynamikken i atmosfæren. Desse likningane er ikkje-lineære og er umogeleg å løyse eksakt. Derfor må ein nytte numeriske metodar for å få tilnærma løysingar. Forskjellige modellar nyttar forskjellige løysingsmetodar. Enkelte globale modellar nyttar spektralmetodar for horisontal utstrekning og endeleg differensmetode for den vertikale, medan regionale modellar og andre globale modellar vanlegvis nyttar seg av endeleg differensmetodar i alle tre dimensjonar. Regionsmodellar nyttar òg ei finare oppløysing (finare grid) for å eksplisitt løyse opp meteorologiske fenomen på mindre skala sidan dei ikkje må løyse likningane for heile kloden.

Modellane vert initalisert ved hjelp av observasjonsdata frå radiosondar, vêrsatellittar og observasjonar frå vêrstasjonar. Sidan observasjonane ikkje er jamt spreidd over kloden vert observasjonane handsama med dataassimilasjon og objektive analysemetodar, som utfører kvalitetskontroll og dannar observasjonsverdiar i punkt som kan nyttast av dei matematiske algoritmane i modellen (vanlegvis eit jamt fordelt grid). Data vert så nytta som utgangspunkt for varselet i modellen. Som regel vert eit likningssett kalla primitive likningar. Desse likningane vert initialiserte frå analysedata og svaret deira gjev ein ny atmosfæretilstand ein kort periode inn i framtida. Dette «svaret» vert så utgangspunktet for ei ny utrekning av likningane, og ein finn enno ein ny tilstand for atmosfæren litt lenger fram i tid. Denne tidsskritt-prosedyren vert repetert kontinuerleg så langt fram ein ønskjer at modellen skal gå. Lengda på kvart tidsskritt er knytt til den horisontale oppløysinga til modellen. Tidsskritta i ein global klimamodell kan vere nokre titals minutt, medan dei i regionale modellar kan vere alt frå nokre sekund til eit par minutt.

Ensemble

For meir om dette emnet, sjå ensemblevarsling.

Edward Lorenz sa i 1963 at det ikkje er mogeleg å lage eit heilt sikkert varsel for tilstanden til atmosfæren på grunn av den kaotiske karakteren til væskedynamikklikningane som er involvert. I tillegg fører det avgrensa observasjonsnettverket, særleg over store hav, og oppløysinga til modellane i både rom og tid til at ein aldri sikkert kan vite den verkelege tilstanden til atmosfæren som ein puttar inn som startvilkår i modellane. For å ta omsyn til denne utryggleiken nyttar ein stokastiske varsel eller ensemblevarsel. Dette omfattar mange varsel i same modell der ein nyttar litt forskjellige fysiske parametriseringar eller gjer små endringar i starttilstanden. Ensemblevarselet vert vanlegvis vurdert ut frå middelverdien til ein variabel i ensemblet (t.d. gjennomsnittstemperaturen basert på kvart ensemblemedlem) og spreiinga i ensemblet (kor mykje t.d. temperaturen varierer mellom dei forskjellige medlemmene for same tidspunkt). Ei vanleg mistyding er at låg spreiing mellom ensemblemedlemmane tyder på at ensemblemiddelet er meir sikkert.

Litteratur

• Beniston, Martin. From Turbulence to Climate: Numerical Investigations of the Atmosphere with a Hierarchy of Models. Berlin: Springer, 1998.
• Kalnay, Eugenia. Atmospheric Modeling, Data Assimilation and Predictability. Cambridge University Press, 2003.
• Thompson, Philip. Numerical Weather Analysis and Prediction. New York: The Macmillan Company, 1961.
• Pielke, Roger A. Mesoscale Meteorological Modeling. Orlando: Academic Press, Inc., 1984.
• U.S. Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration, National Weather Service. National Weather Service Handbook No. 1 - Facsimile Products. Washington, DC: Department of Commerce, 1979.

Bakgrunnsstoff

• Skildring av modellar nytta i USA om lag 1995
• meteoblue - gratis kart og plott
• Supercomputarane til NOAA
• Wetterzentrale (berre tysk) - nesten alle tilgjengelege numeriske varslingsmodellar med kart og plott
• European Centre for Medium-Range Weather Forecasts
• University of Reading Department of Meteorology

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Numerical weather prediction» frå Wikipedia på engelsk, den 8. juli 2009.
  • Wikipedia på engelsk oppgav desse kjeldene: