Kees Floor, Zenit, januari 2004.
'Zou het niet fantastisch zijn
als je zou kunnen uitrekenen wat het weer gaat doen?' Deze droom, die in de overgang
van de 19e naar de 20e eeuw opkwam, is inmiddels voor een belangrijk deel werkelijkheid
geworden. Computermodellen van de atmosfeer berekenen vandaag de dag met toenemend
succes de weersontwikkelingen voor de komende uren of dagen.
Om het zo ver
te kunnen laten komen, was het eerst nodig het idee erachter in kaart te brengen
en uit te werken. De Noor Vilhelm Bjerknes (figuur 1), destijds verbonden aan
de Universiteit van Stockholm, komt de eer toe als eerste het probleem op schrift
te hebben gesteld, vergezeld van richtingen waarin een oplossing kan worden uitgewerkt.
Zijn visionaire publicatie verscheen in januari 1904, dus op de kop af honderd
jaar geleden, in het Duitstalige Meteorologisch Zeitschrift en legde de basis
voor de hedendaagse praktijk van het maken van weersverwachtingen.
Bjerknes'
ideeën
Om aan het weer te kunnen rekenen, zo schreef Bjerknes
reeds in 1904, dient aan twee voorwaarden te zijn voldaan. Eerst moet de toestand
van de atmosfeer goed in kaart zijn gebracht. Daarnaast moeten de natuurkundige
wetten die de ontwikkelingen in de atmosfeer beschrijven, bekend zijn.
In
de tijd dat Bjerknes zijn ideeën aan het papier toevertrouwde, was aan die
voorwaarden nog niet voldaan. Waarnemingen waren er uitsluitend van landstations
en van het aardoppervlak; meetgegevens van de hogere luchtlagen of waarnemingen
van zeeën en oceanen waren nog niet beschikbaar (figuur 2). De natuurkundige
wetten die het gedrag van de atmosfeer bepalen, kon Bjerknes al wel opsommen,
maar hij was er niet zeker van of zijn overzicht wel volledig en correct was.
De huidige generatie atmosfeermodellen benut nog steeds de vergelijkingen uit
Bjerknes' baanbrekende artikel.
Figuur 1: Vilhelm
Bjerknes. | Figuur
2. Waarnemingen die gebruikt worden bij het in kaart brengen van de toestand van
de atmosfeer ter voorbereiding van computerberekeningen van atmosfeermodellen.
In de tijd van Bjerknes stonden alleen nog oppervlaktewaarnemingen van landstations
ter beschikking. Tegenwoordig zijn er ook waarnemingen van radiosondes, radar,
vliegtuigen, weersatellieten en in zee drijvende boeien. |
Overigens was het Bjerknes niet vergund zijn ideeën zelf in praktijk te brengen. De berekeningen waren voor die tijd veel te omvangrijk en de benodigde wiskunde was nog onvoldoende ontwikkeld voor een succesvolle toepassing van de door hem gesuggereerde aanpak. Daarom zag hij zich genoodzaakt een andere weg in te slaan. Als hoofd van en motor achter de zogeheten Noorse School stond hij niet alleen aan de wieg van de atmosfeermodellen, maar ook aan die van de polairefronttheorie. Warmte- en koufronten vormen tot op de dag van vandaag nog vaste ingrediënten van de werkzaamheden van de meteoroloog en de berichtgeving over het weer in de nieuwsmedia en op internet. Vaak worden de resultaten van berekeningen van atmosfeermodellen gepresenteerd in combinatie met de uitkomsten van een analyse volgens de Noorse School; een voorbeeld geeft figuur 3.
| |
Figuur
3. Combinatie van de rekenresultaten van een computermodel van de atmosfeer, in
dit geval het regionale model HiRLAM van het KNMI, met een 'klassieke' frontenanalyse
volgens de zogeheten 'Noorse School". | Figuur
4. De zogeheten primitieve vergelijkingen, de natuurkundige wetten die het gedrag
van de atmosfeer bepalen. |
De eerste
berekeningen
Bjerknes gaf in zijn artikel aan dat het maken van weersverwachtingen
niets anders inhield dan het oplossen van zeven vergelijkingen met zeven onbekenden
(zie figuur 4). Reeds in 1906 maakte de Oostenrijker Exner een verwachting met
een eenvoudig atmosfeermodel, maar deze activiteit verkreeg weinig bekendheid.
Een volgende die zich eraan waagde de weervergelijkingen op te lossen, was
de Brit Richardson. Hij was chauffeur van een militaire ambulance in de Eerste
Wereldoorlog en benutte de tijd waarin zijn inzet niet vereist was, voor het uitvoeren
van weerberekeningen. Zij droom was dat weersverwachtingen gemaakt zouden kunnen
worden in een grote, koepelvormige ruimte met 64 duizend menselijke rekenaars,
geleid door een centrale coördinator (figuur 5). Richardson publiceerde de
resultaten van zijn berekeningen in 1922. Zijn voorspelling betrof de luchtdruk
in Potsdam voor 6 uur vooruit. Hoewel hij de berekeningen correct uitvoerde, was
het resultaat teleurstellend en niet realistisch. Richardson kwam op een luchtdrukverandering
van 145 hPa; in werkelijkheid bedroeg deze slechts 6 hPa. Pas later bleek dat
een verdere bewerking van de gemeten toestand van de atmosfeer, de zogeheten initialisatie,
vereist is om de berekeningen succesvoller te maken.
De grote doorbraak
De eerste helft van de twintigste eeuw bleef het aantal rekenaars aan het weer
nog beperkt. Naast Exner en Richardson stelde ook de Russische meteoroloog Kibel
een weersvoorspelling op; dat was in 1940. Al deze pogingen tot het voorspellen
van het weer hadden echter nog weinig aanleiding gegeven tot optimisme. Zo zei
Houghton eind 1946 in zijn 'presidential address' tot de jaarlijkse bijeenkomst
van de American Meteorological Society dat "ons natuurkundig begrip van de
processen in de atmosfeer nog zo beperkt is, dat het vrijwel nutteloos is bij
het voorspellen van het weer". Slechts vier jaar later werden de eerste weersverwachtingen
met een computer geproduceerd en verscheen een artikel van Charney, Fjortoft en
Von Neumann, dat de grote doorbraak forceerde. In die publicatie werd beschreven
hoe je Bjerknes' vergelijkingen met de methoden van de numerieke wiskunde kunt
oplossen.
De ontwikkelingen werden mogelijk gemaakt door een min of meer toevallige
samenloop van omstandigheden. Fjortoft had ervaring met het grafisch oplossen
van numerieke problemen. Charney was een ervaren meteoroloog. Samen wisten ze
de wiskundige Von Neumann (figuur 6), die over de computer beschikte, over te
halen voor de eerste experimenten met die computer aan meteorologische problemen
te gaan werken.
Het eerste weermodel was een model waarin de atmosfeer slechts
uit één laag bestond; het rekende op een beperkt gebied. Meer lagen
of een groter rekengebied waren gezien de beschikbare rekencapaciteit onhaalbaar;
bovendien waren er destijds wereldwijd nog onvoldoende waarnemingen beschikbaar.
Dankzij de meteoroloog Charney werd gekozen voor het 500hPa-vlak als rekenniveau.
Dit vlak ligt op ongeveer 5,5 km hoogte en is bepalend voor de weersontwikkelingen
die zich gaan voordoen.
Het duurde nog tot 1960 voor de producten van weermodellen
bij de meteorologen in de Verenigde Staten op hun bureau terechtkwamen. Analyses
werden in die jaren nog met de hand gemaakt, de rekenresultaten kwam op lijnprinters
en de controle op bruikbaarheid was opnieuw handwerk.
In Europa deden computers
pas later hun intree. De eerste rekenexperimenten werden uitgevoerd met grafische
methoden of met handrekenapparaten. Het kenmerk van de begintijd van de numerieke
weersvoorspelling was dan ook "het wachten op de computer"; tot die
kwam, moesten de meteorologen, al dan niet geholpen door assistenten, het rekenwerk
zelf doen met tafelrekenmachines. In Europa beschikten de Zweden vanaf het midden
van de jaren vijftig als eersten over een computer.
Geleidelijk aan gingen
ook andere Europese weerdiensten over tot de aanschaf van een computer. In de
tweede helft van de jaren zestig werden op diverse plaatsen in Europa dagelijks
computerweersvoorspellingen gemaakt.
Figuur 5. Rekenzaal
van Richardson, waarin 64000 rekenaars het weer proberen voor te blijven onder
leiding van een centrale coördinator. |
Figuur 6: Von Neumann voor zijn computer
(1950). |
Mondiale en regionale
modellen
In de jaren zeventig van de vorige eeuw begon zich een duidelijk
onderscheid af te tekenen tussen regionale modellen voor weersverwachtingen tot
één à twee dagen vooruit, en mondiale voorspelmodellen voor
de middellange termijn: drie tot tien dagen vooruit. Regionale modellen hebben
als kenmerk dat ze rekenen op een beperkt gebied. Daardoor zijn de waarnemingen
sneller beschikbaar, kunnen de modelberekeningen eerder worden gestart en zijn
de prognoses dus eerder klaar. Bij een gegeven computercapaciteit kan een regionaal
model werken met een hogere resolutie, dus kleinere roosterpuntafstanden en/of
meer lagen in de verticaal, dan een mondiaal model.De waarden van de meteorologische
variabelen aan de randen van dat gebied worden ontleend aan een grootschaliger
of mondiaal atmosfeermodel, wat in sommige gevallen aanleiding kan geven tot fouten;
een regionaal model kan een mondiaal model dan ook niet vervangen.
Mondiale
weermodellen rekenen over de gehele aarde. Zo'n groot rekengebied is noodzakelijk
voor langere verwachtingstermijnen. Daarbij heeft een mondiaal model geen problemen
met randen, omdat de aardbol een aaneengesloten vlak vormt.
Een belangrijke
doorbraak op het gebied van mondiale modellen en daarmee tevens op het terrein
van de verwachtingen voor de middellange termijn, vormde de oprichting van het
ECMWF in 1975. Al bijna 25 jaar, vanaf 1 augustus 1979, levert dit centrum dagelijks
verwachtingen tot 10 dagen vooruit met een atmosfeermodel dat door vriend en vijand
wordt beschouwd als het beste in zijn soort.
Op dit moment hebben ook de grote
westerse landen, zoals Verenigde Staten, Canada, Groot-Brittannië, Frankrijk,
Duitsland en Australië, elk de beschikking over een eigen mondiaal atmosfeermodel.
Een veel groter aantal landen, waaronder Nederland, beschikt over regionale weermodellen,
die ze gebruiken voor weersverwachtingen tot twee dagen vooruit.
De
operationele cyclus
Op alle weercentra met een computermodel van de
atmosfeer gaat men als volgt te werk. Eerst wordt er veel aandacht besteedt aan
de controle van de binnengekomen weerwaarnemingen. Het gaat om traditionele waarnemingen
van grondstations of radiosondes, maar ook om waarnemingen afkomstig van weersatellieten,
weerradars, windprofilers, lijnvluchten en drijvende boeien in de oceaan (figuur
2). Het ten onrechte honoreren van een foute waarneming kan leiden tot een onjuist
beeld van de actuele toestand van de atmosfeer, wat versterkt doorwerkt in de
computerprognoses. Waarnemingen die de kwaliteitstoets doorstaan worden gebruikt
voor het maken van de analyse van de weersituatie. Als eerste benadering van die
actuele situatie dient de meest recente computerprognose die geldig is op het
moment waarvoor de analyse wordt gemaakt. De waarnemingen worden gebruikt om die
situatie verder te preciseren. Ze worden herleid naar zogeheten roosterpunten,
waarop later in de operationele cyclus ook de modelberekeningen plaatsvinden.
Het liefst zouden we voor alle punten in de atmosfeer de waarden van meteorologische
grootheden kennen, maar dat is natuurlijk onmogelijk. Daardoor wordt er gewerkt
met een beperkt aantal roosterpunten (figuur 7), verspreid over de hele aardbol,
of - bij regionale modellen, - over het hele rekengebied. Boven elk punt bevindt
zich een aantal rekenlagen. Naarmate de mogelijkheden van de computers toenemen
en door de ontwikkelingen van de numerieke wiskunde, die het mogelijk maken efficiënter
met beschikbare computercapaciteit om te springen, kan de afstand tussen de roosterpunten
kleiner worden gekozen en het aantal lagen worden uitgebreid. Dit leidt tot nauwkeuriger
verwachtingen en de mogelijkheid ontwikkelingen op steeds kleinere schaal in de
berekeningen mee te nemen. Op dit moment gebruiken wereldwijdrekenende atmosfeermodellen
roosterpuntafstanden van bijvoorbeeld 40 km bij 60 lagen; bij modellen die een
kleiner gebied bestrijken, wordt incidenteel al gewerkt met een rooster van 5
km!
|
| |
Figuur
8. Enkele van de natuurkundige processen die meegenomen worden bij de dagelijkse
berekeningen die computermodellen van de atmosfeer uitvoeren. |
Figuur 9. Computerprognose van het ECMWF
met luchtdruk aan de grond (getrokken lijnen) en windsnelheid op 1500m hoogte
(ingekleurd). |
Verdere ontwikkelingen
Een van de opties bij de oprichting van het ECMWF destijds was een puur rekencentrum
waar uitsluitend 'het atmosfeermodel' draaide; daarbij zouden de analyse van de
weersituatie en de bewerking van de weerwaarnemingen buiten het werkterrein van
het ECMWF vallen. Het is maar goed dat deze optie niet is gerealiseerd, want juist
op het terrein van het omgaan met waarnemingsgegevens is ontzettend veel winst
geboekt. Verdere verbeteringen kwamen van betere analyse- en initialisatieprocedures
en het verhelpen van een groot aantal numerieke fouten. Daarnaast zag men steeds
meer het belang in van de tropen en het zuidelijk halfrond voor weersverwachtingen
op de middellange termijn. Verder kwam meer nadruk te liggen op natuurkundige
processen die voor de middellange termijn relevant zijn door aansluiting te zoeken
bij de praktijk van de klimaatmodellering. De resultaten waren goed; de verwachtingstermijn
werd verlengd van 2 à 3 tot zeven dagen. Andere centra die middellangetermijnverwachtingen
maken, toonden een zelfde beeld; zo heeft bijvoorbeeld een Duitse verwachting
voor vijf dagen vooruit nu dezelfde kwaliteit als de verwachting voor morgen in
het midden van de jaren zestig.
De verbetermogelijkheden van de computermodellen
zijn nog lang niet uitgeput. Overal streeft men naar verdere verkleiningen van
de roosterpuntafstanden en een toename van het aantal boven elkaar liggende rekenlagen.
Ook aan de verfijning van de beschrijvingen van de natuurkundige processen in
de atmosfeer, zoals bijvoorbeeld weergegeven in figuur 8, wordt nog hard gewerkt.
Daarnaast krijgen ensembleverwachtingen steeds meer aandacht. Hierbij wordt het
model talrijke keren nagedraaid met een iets andere uitgangspositie. Het doel
daarvan is gevoel te krijgen voor de onzekerheden in het eindresultaat; ook kunnen
de ensembleverwachtingen gebruikt worden voor het opstellen van kansverwachtingen,
die veel meer informatie bevatten dan de gebruikelijke zwart-wituitspraken. In
Zenit van december 2002 werd het ensembleverwachtingssysteem van het ECMWF uitvoeriger
beschreven.
Naast 'gewone' ensembles, gebaseerd op één model,
zijn er nu ook superensembles, gebaseerd op meerdere modellen. Via statistische
technieken worden bij de voorspellingen met superensembles de sterke kanten van
modellen geaccentueerd, terwijl zwakke kanten minder gewicht krijgen. De resultaten
van superensembles zijn beter dan die van afzonderlijke modellen of van ensemblegemiddelden;
ze bewezen hun nut vooral in gevallen van tropische cyclonen of overvloedige neerslag.
In de toekomst zullen ongetwijfeld meer methoden worden uitgetest om de kwaliteit
en de bruikbaarheid van computermodellen van de atmosfeer verder te vergroten.