Numerična napoved vremena

Numerična napoved vremena

Osnovna ideja numerične napovedi vremena je, da se vzorči stanje tekočine v določenem trenutku, ter da se z enačbaj dinamike tekočin in termodinamike oceni stanje tekočine v prihodnosti.

Glavni viri podatkov pri napovedovanju vremena so opazovanja površja Zemlje s pomočjo avtomatiziranih vremenskih postaj na kopnu in morju. Postaje lansirajo radiosonde, ki segajo skozi troposfero v stratosfero. Če radiosonde niso na voljo, uporabljajo se podatki z meteoroloških satelitov. V primerjavi s podatki z radiosond imajo satelitski podatki prednost globalnega pokritja, vendar z nižjo natančnostjo in ločljivostjo. Meteorološki radarji pa zagotavljajo informacije o lokaciji in intenziteti padavin, ter o hitrosti in smeri vetra. Kljub tem metodam pa ostaja vrzel v opazovanju atmosfere v nižjih plasteh, zato pa v okolici pomembnih vremenskih lokacij (primer tropski cikloni) potekajo raziskovalni leti s pomočjo izvidovalskih letal.

Slika 1: Radiosonde

Slika 2: Avtomatizirana vremenska postaja

Modeli napovedanja se inicializirajo s pomočjo opazovanih podatkov. Nepravilno razporejeni podatki so obdelani z metodo asimilacije podatkov in objektivne analize, ter so potem uporabljeni  v matematičnim algoritmu modela kot izhodišče za napoved vremena. Običajno se za napovedovanje fizike in dinamike ozračja uporabljajo t. i. primitivne enačbe. Te enačbe - skupaj z idealnim plinskim zakonom - se uporabljajo za razvoj gostote, tlaka in potencialne temperature ter vektorja hitrosti ozračja skozi čas. Dodatne transportne enačbe za onesnaževala in druge aerosole so vključene tudi v nekatere primitivne modele. Uporabljene enačbe so nelinearne delne diferencialne enačbe, ki jih ni mogoče natančno rešiti z analitičnimi metodami. Zato numerične metode dobijo približne rešitve. Različni modeli uporabljajo različne metode reševanja: nekateri globalni modeli uporabljajo spektralne metode za horizontalne dimenzije in metode končnih diferenc za vertikalno dimenzijo, medtem ko regionalni in drugi globalni modeli običajno uporabljajo metode končnih diferenc v vseh treh dimenzijah.

Slika 3: Napoved nevihte za pravočasno evakuacijo in preprečevanje večjih poškodb lastnin

Dolžina izbranega koraka časa v modelu je povezana z razdaljo med točkami na računalniški mreži in je izbrana tako, da ohranja stabilnost numerične simulacije. Časovni koraki za globalne modele so v razponu od 10 minut, medtem ko so časovni koraki za regionalne modele med 1 in 4 minut. Globalni modeli se izvajajo v različnih časih v prihodnost. Združeni model Met Office se izvaja šest dni vnaprej, model Evropskega centra za srednjeročne vremenske napovedi pa se izvaja do 10 dni vnaprej, medtem ko se model Globalnega sistema za napovedovanje, ki ga izvaja Center za okoljsko modeliranje, izvaja do 16 dni vnaprej. Surov izhod se pogosto spreminja, preden se predstavi kot napoved. To lahko pomeni uporabo statističnih tehnik za odstranjevanje znanih pristranskosti v modelu ali prilagoditev, da se upošteva soglasje med drugimi numeričnimi vremenskimi napovedmi. Kot je leta 1963 predlagal Edward Lorenz, dolgoročne napovedi, ki se nanašajo na obdobje dveh ali več tednov, ne morejo nedvoumno napovedati stanja ozračja zaradi kaotične narave enačb dinamike fluidov, ki so vključene. V numeričnih modelih se izredno majhne napake v začetnih vrednostih približno vsakih pet dni podvojijo pri spremenljivkah, kot sta temperatura in hitrost vetra.

Slika 4: Navier – Stokesove enačbe uporabljene v numerični simulaciji

Povzetek

Numerična napoved vremena nam podaja možnost oceniti vreme v prihodnosti. Za to uporabljamo podatke dobljene iz radiosond, meteoroloških satelitov in redarjev.

Za napoved je uporabljena numerična simulacija, ki temelji na Navier – Stokesovimi enačbami, in uporablja različne modele napovedanja, kateri določajo natančnost in število dni napovedanega vremena.

Zaradi kaotične narave enačb dinamike tekočin, dolgoročne napovedi, ki se nanašajo na obdobje dveh ali več tednov, ne morejo nedvoumno napovedati stanja ozračja. Zaradi tega se surov izhod pogosto spreminja, preden ko se predstavi kot napoved.