Sunday, May. 31, 2020

Računalno prognoziranje vremena (1)

Autor:

|

31.07.2013

|

Kategorije:

Računalno prognoziranje vremena (1)

Što su numerički modeli atmosfere?

Par stotina godina unatrag, vremenska prognoza se radila po načelima promatranja neba i pojava u atmosferi, mjerenjima temperature, smjera vjetra, tlaka, vlažnosti i drugih meteoroloških elemenata te praćenja njihovih promjena u vremenu. Vremenske prognoze su se ponešto poboljšale pojavom električnog telegrafa, koji je omogućio uspostavljanje mreža meteroloških mjerenja i motrenja, pa su se tako mogle i crtati prve sinoptičke karte, koja su prognostičarima predstavljale značajnu pomoć u predviđanju razvoja vremena u bližoj budućnosti.

Razvoj meteorologije tijekom povijesti u jednome je trenutku doveo do ideje da se stanje atmosfere pokuša prikazati matemetičkim putem i zatim sustavom jednadžbi predvidjeti promjene stanja u bližoj budućnosti. Prvi pokušaji da se to provede u praksu sežu u daleke dvadesete godine prošlog stoljeća, kad su prvi pokušaji da se “pješice” riješi sustav matematičkih jednadžbi za prognozu 6 sati unaprijed na samo dvije točke nad Europom, uzeli 6 tjedana računanja, olovkom na papiru. Situacija se “značajno” poboljšala u pedesetim godinama prošlog stoljeća izumom glasovitog računala ENIAC. Prvi put je tad bilo moguće riješiti sustav matematičkih jednadžbi za manje vremena nego je bio dug prognozirani period. U operativnu prognozu, ovakvi vrlo primitivni sustavi ulaze 1955. godine u američkoj državnoj meteorološkoj organizaciji.

Porastom snage računala, s vremenom se poboljšavaju računalni programi koji matematičkim putem predviđaju promjene u stanju atmosfere i time prognoziraju vrijeme u bližoj budućnosti. Takve programe danas nazivamo numeričkim modelima za simulaciju atmosfere (prognostički modeli) i oni će biti tema kroz nekoliko nastavaka ove kolumne, pri čemu ćemo vam nastojati malo približiti ovo inače podosta kompleksno područje.

Današnji moderni numerički modeli atmosfere (NWP modeli – Numerical Weather Prediction) baziraju se na rješavanju jednadžbi dinamike fluida i termodinamičkih jednadžbi. S obzirom da je riječ o diferencijalnim jednadžbama koje nije moguće riješiti analitički, koriste se numeričke metode integracije za njihovo rješavanje. Pritom je Zemljina atmosfera podijeljena u 3D mrežu, tj. seriju ćelija unutar kojih se izračunavaju fizikalne promjene stanja tijekom vremena.

AtmosphericModelSchematic

Atmosfera je u modelu predstavljena trodimenzionalnom mrežom ćelija, unutar kojih se računaju promjene fizikalnih procesa tijekom vremena

Kakvih sve ima modela atmosfere?

Vrlo je širok spektar mogućih primjena ovakvih računalnih programa. Operativna vremenska prognoza samo je jedan od brojnih mogućih zadataka za primjenu numeričkih modela atmosfere. Druge česte implementacije su istraživanja klimatskih promjena, simulacije meteoroloških događaja u prošlosti, prognoza valova na moru, proučavanje tropskih ciklona, predviđanje kvalitete i kemijskog sastava zraka, predviđanje kretanja i depozicije pustinjskog aerosola, prognoziranje razvoja šumskih požara itd.

Numeričke modele atmosfere možemo podijeliti prema nekim kriterijima u podvrste. Na primjer, zavisno o području Zemljine atmosfere na kojem model izvodi simulaciju razlikujemo globalne i regionalne modele. Prema načinu na koji je atmosfera predstavljena u modelu razlikujemo tzv. grid-point modele i spektralne modele. Prema načinu na koji model računa vertikalna strujanja razlikujemo hidrostatske i nehidrostatske modele, itd.

avansert_meteogram

Primjer numeričke prognoze vremena, izvor: yr.no

 

Popularni globalni prognostički modeli

Danas imamo nekoliko vrlo popularnih prognostičkih modela atmosfere koji se koriste za potrebe operativne vremenske prognoze. Najpoznatiji i najčešće korišteni model svakako je američki GFS (Global Forecast System). Riječ je dakle o globalnom modelu, što znači da njegovi izračuni pokrivaju cijelu Zemlju, a svoju je iznimnu popularnost stekao činjenicom da su njegovi produkti besplatni za sve namjene i mogu se preuzeti na Internetu u svakome trenutku preko http i ftp protokola.

Osim GFS modela kojeg razvija američka državna meteo služba NCEP, nešto je manje popularan NAVGEM (donedavno NOGAPS) u operativi američke ratne mornarice, te kanadski model GEM.

Europski meteorološki centri imaju nekoliko inačica globalnih modela za opretivnu prognozu koji su konceptualno slični američkom GFS modelu, ali za razliku od njega nisu besplatni. Europski zakoni su drugačiji od američkih, pa je i princip financiranja te javne upotrebe proizvoda meteoroloških službi u Europi znatno manje liberalan. Najpoznatiji europski model je svakako IFS (Integrated Forecast System) kojeg operativno koristi Europski centar za srednjoročnu prognozu vremena (ECMWF) u Readingu (V. Britanija). Ovaj prognostički model se u meteo zajednici redovito smatra i najpouzdanijim globalnim modelom, no činjenica da nije dostupan besplatno znatno ograničava mogućnosti njegove upotrebe.

Osim IFS/ECMWF modela, u Europi su još popularni Unified Model kojeg razvija UKMO (također britanska meteorološka organizacija) te GME model njemačke meteorološke službe. Postoje još neki globalni modeli europskih meteo organizacija, a također tu su i modeli još ponekih država izvan Europe, no njihova popularnost je prilično niska.

Događaji u vezi tropskog ciklona Sandy podigli su mnogo “prašine” u SAD. Velike je tada kritike u javnosti doživio GFS. Putanju ciklona Sandy ECMWF-ov model je predvidio mnogo preciznije. Nakon tog događaja odlučeno je da se iz državnog proračuna usmjere bitno izdašnija sredstva za poboljšanje američkih prognostičkih modela u budućnosti. Prema izjavma koje stižu iz američke državne meteorološke službe, s povećanim sredstvima za razvoj računalnih sustava, GFS model bi 2015. godine trebao postati konkurentan ECMWF-ovom modelu po svim karakteristikama.

Globalni modeli se, zbog velike količine podataka s kojima rade, pokreću na najvećim svjetskim superračunalima. Takva računala imaju tisuće procesora i zauzimaju čitave hale. Primjerice, GFS model se trenutačno pokreće na platformi IBM Power6 sa 4992 procesora i 19712 gigabajta radne memorije. Osim GFS modela na tom superračunalu se pokreće još niz drugih meteroloških programa za različite prognostičke zadatke. ECMWF koristi IBM Power7 sa 8192 procesora.

IBM_POWER6_cluster_600px

Hala za IBM-ovo superračunalo kakvo se koristi za GFS model

 

Regionalni prognostički modeli

Globalni modeli računaju stanje atmosfere nad cijelom Zemljom. Unatoč konstantnom povećanju snage računala, to je još uvijek ogromna količina podataka koju je potrebno izračunati. Zbog toga takvi modeli imaju neka značajna ograničenja. Najvažnije ograničenje globalnih modela je to što zbog nedostataka računskih resursa oni još uvijek ne mogu računati detalje stanja u atmosferi, već se zadržavaju na gruboj simulaciji. Tehnički, kažemo da imaju malu rezoluciju (razlučivost), o čemu će biti govora u idućim nastavcima kolumne.

Regionalni modeli, s druge strane, ne pokrivaju cijelu Zemlju već samo određeno, najčešće relativno malo, područje Zemljine površine. Druga bitna razlika u odnosu na globalne modele je način njihove inicijalizacije (definiranje početkog stanja atmosfere za start simulacije). Pojednostavljeno govoreći, dok se globalni modeli inicijaliziraju podacima različitih meteoroloških mjerenja, regionalni modeli se inicijaliziraju – produktima globalnih modela! Nadalje, regionalni modeli trebaju takozvane rubne uvjete tijekom prognoziranog razdoblja. Rubni uvjeti su prognozirani elementi atmosfere (temperatura, vlažnost, vjetar) koji zračnim strujanjima tijekom vremena ulaze izvana u područje nad kojim regionalni model izvršava simulaciju. Ti rubni uvjeti, također se dobavljaju iz produkata globalnih modela. Globalni modeli s druge strane, budući da nemaju rubove područja nad kojim rade, ne koriste nikakve rubne uvjete. Za inicijalizaciju regionalnih modela i potrebe rubnih uvjeta, najčešće se koristi model GFS, budući da je on, kako smo već rekli, dostupan bez ograničenja. Suvišno je naglašavati, kako će kvaliteta prognoze regionalnog modela značajno zavisiti o kvaliteti produkata modela koji se koristi za inicijalizaciju i rubne uvjete.

Javnosti svakako najpoznatiji regionalni model za vremensku prognozu na području Hrvatske je model ALADIN (Aire Limitée, Adaptation dynamique, Développement InterNational), kojeg koristi Državni hidrometeorološki zavod. Riječ je o modelu kojeg zajednički razvija nekoliko državnih meteo centara mediteranske regije. Produkti modela uglavnom nisu javno dostupni, što ga čini relativno slabo upotrebljivim. Ipak, model je dosad stekao iznimnu popularnost među ljubiteljima vjetra, s obzirom da su prognostičke karte vjetra publicirane na Internetskim stranicama DHMZ-a. Osim prognostičkih karata vjetra iz tog modela, dostupna je i prognoza oborine u 6-satnim intervalima, koja se ipak pokazala mnogo manje pouzdanom od prognoze vjetra. Za inicijalizaciju i rubne uvjete za model Aladin uzimaju se produkti francuskog modela ARPEGE. Aladin je prema načinu rada spektralni nehidrostatski model. Osim navedenih podataka, vrlo je malo drugih dostupnih informacija o ovom modelu.

U SAD, priča je bitno drugačija. Američke organizacije NOAA, NCEP i NCAR rade na razvoju prognostičkog softvera WRF i NEMS. Softverska platforma WRF (Weather Research and Forecast) je nešto stariji produkt koji ima dvije različite računske jezgre, NMM (Nonhydrostatic Mesoscale Model) i ARW (Advanced Research WRF). NEMS (NOAA Environmental Modeling System) je softverska platforma za NMMB računsku jezgru (Nonhydrostatic Multiscale Model on B-grid) što je najnoviji regionalni model iz SAD. Sav ovaj softver je licenciran kao open source, što znači da se može preuzeti, po potrebi modificirati, kompajlirati i pokretati bez ikakvih ograničenja. Upravo ta činjenica čini WRF (i u bližoj budućnosti NEMS) iznimno popularnim softverskim rješenjima za regionalnu vremensku prognozu. WRF je stoga stekao iznimno visoku popularnost u privatnim meteo organizacijama te među meteo entuzijastima na području Europe, gdje je dostupnost produkata iz državnih meteoroloških službi slaba ili nikakva. Crometeo od 2008. godine također koristi svoju inačicu WRF modela uz javno dostupne produkte za područje Hrvatske i bliže okolice.

Novi detalji o prognostičkim modelima, i osobito o Crometeo WRF modelu stižu u idućim nastavcima kolumne. Do čitanja!

Komentari

Share This Article

Related News

ANALIZA: Superćelijski oblak pred Splitom (FOTO, VIDEO)
Snažna pijavica pogodila Supetar i načinila veliku materijalnu štetu (FOTO, ANALIZA)
Tople ljetne noći: Fenski učinak bure

O Autoru

Ivan Toman