Hoofdstuk 13 van: Kees Floor: Weerkunde, Meteorologie
voor iedereen, Rijswijk 2004.
13.1 Waarnemingen
Het weer wordt niet alleen bepaald door grootschalige weersystemen; ook kleinschalige
weersystemen, natuurkundige en meteorologische processen in de dampkring en niet-meteorologische
factoren spelen een rol. Al die verschillende invloeden dragen bij aan het weer
op een bepaalde plaats op een bepaald tijdstip.
Als we het weer gedetailleerd
willen weten, zouden we al deze factoren precies moeten kennen. Dat alleen al
is volstrekt onmogelijk. Zo zou, om kleine systemen exact te kunnen beschrijven,
ook op overeenkomstig kleine schaal gemeten moeten worden. Voor systemen met afmetingen
van een paar honderd meter, zoals tornado's of buien, zou dan een heel dicht meetnet
nodig zijn met stations op een afstand van een paar honderd meter van elkaar.
Dat is in de praktijk natuurlijk niet te realiseren. Nu is het gelukkig bijna
nooit zo dat alles tot op een tiende millimeter nauwkeurig bekend moet zijn. In
het algemeen is een niet al te gedetailleerde beschrijving voldoende, waarvoor
een niet al te fijn waarneemnetwerk volstaat. Toch geldt dat hoe meer detail nodig
is en hoe kleinschaliger de bepalende factoren en processen zijn, des te fijnmaziger
is het vereiste waarneemnetwerk.
13.2
Wereld Meteorologische Organisatie
Om bepaalde weersituaties tijdig
aan te zien komen, zijn gegevens nodig afkomstig uit een groot gebied. Het weer
in Nederland op zeker tijdstip wordt niet alleen bepaald door de omstandigheden
in Nederland zelf, maar kan al dagen eerder op duizenden kilometers afstand in
de maak zijn. De gegevens van bijvoorbeeld Amerika, Rusland of China zijn ook
nodig om een goede uitspraak te doen over de weersontwikkeling in Nederland. Alle
weerwaarnemingen worden dan ook wereldwijd uitgewisseld. Om deze internationale
uitwisseling van berichten goed te laten verlopen, is de Wereld Meteorologische
Organisatie (WMO) opgericht. De WMO is een onderdeel van de Verenigde Naties en
is gevestigd in Genève; de meeste landen in de wereld zijn erbij aangesloten.
13.3
Wereldwijde telecommunicatie
De weerwaarnemingen worden wereldwijd
verzonden via een speciaal telecommunicatienetwerk, dat ook door de WMO beheerd
wordt. Alle landen zijn daarop aangesloten. Via dit netwerk verspreidt het KNMI
Nederlandse weerwaarnemingen wereldwijd en ontvangt het ook weer alle berichten
uit andere landen. Uiteindelijk heeft het KNMI op deze wijze ongeveer een kwartier
na waarnemingstijd de beschikking over de weerrapporten uit Europa en na ongeveer
een uur over de waarnemingen van het noordelijk halfrond.
13.4
Weerprognoses
Zijn de weergegevens eenmaal beschikbaar, dan is
de volgende stap om de gegevens te analyseren, zodat een beeld van de heersende
toestand verkregen wordt. Daartoe worden de gegevens gepresenteerd op een geografische
kaart, zodat de meteoroloog direct kan zien welk weer zich op welke plaats voordoet.
Zo'n weerkaart verschaft inzicht in de ligging van de hoge- en lagedrukgebieden
en de verschillende luchtsoorten, hun scheidingszones, de zogeheten fronten en
andere conceptuele modellen.
Door patronen op geanalyseerde weerkaarten te
extrapoleren, kan de meteoroloog zich ook een beeld vormen over de weersontwikkeling
tot ongeveer een dag vooruit. Dat weerbeeld is niet erg gedetailleerd. Om op die
termijn meer detail te krijgen en ook voor de beeldvorming van de weersontwikkelingen
verder vooruit, voldoet de extrapolatiemethode niet meer; daarvoor zijn gecompliceerde
modellen van de atmosfeer nodig, die met behulp van supercomputers doorgerekend
worden.
13.5 Atmosfeermodellen
In deze computermodellen wordt de atmosfeer gezien als een dunne gasvormige schil
rond een bol, waarop wetten uit de stromingsleer en uit andere delen van de natuurkunde
van toepassing verklaard kunnen worden. Relevante wetten zijn bijvoorbeeld de
bewegingswetten van Newton, de algemene gaswet en behoudswetten voor massa en
energie. De natuurkundige kennis wordt omgezet in wiskundige formules, waarmee
een computerprogramma berekeningen kan uitvoeren. Uitgaande van een begintoestand,
bepaald uit weerwaarnemingen, berekent de computer de waarde van allerlei meteorologische
variabelen voor enkele uren tot enkele dagen vooruit. Voorbeelden van variabelen
waarmee gerekend wordt zijn de luchtdruk aan de grond en de wind, de temperatuur
en de vochtigheid op verscheidene niveaus in de atmosfeer. Het liefst zouden we
voor alle punten in de atmosfeer de waarden van meteorologische grootheden kennen,
maar dat is natuurlijk ondoenlijk. Daarom wordt er gewerkt met een beperkt aantal
zogeheten roosterpunten (zie figuur onder), verspreid over de aardbol, met boven
elk punt een aantal lagen. Naarmate de mogelijkheden van de computers toenemen
en door de ontwikkelingen in 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 wereldwijd rekenende atmosfeermodellen
roosterpuntafstanden van bijvoorbeeld 60 km bij 30 lagen; bij modellen die een
kleiner gebied bestrijken, wordt incidenteel al gewerkt met een rooster van 5
km! (figuur rechts).
|
|
Om een verschijnsel in de atmosfeer te kunnen beschrijven,
zijn toch zeker enkele roosterpunten nodig; bij een roosterpuntafstand van 60
km komt dat neer op verschijnselen met een diameter van ongeveer 200 km. Er zijn
talrijke natuurkundige processen die plaatsvinden op een kleinere schaal en die
zeker van wezenlijk belang zijn voor de ontwikkelingen op grotere schaal. Het
gaat om zaken als de vorming van stapelwolken en buien en de uitwisseling van
warmte en vocht tussen het aardoppervlak en de dampkring. In de atmosfeermodellen
worden ook deze processen gesimuleerd en in de berekeningen betrokken.
De
computerberekeningen leveren grote aantallen waarden op van luchtdruk, wind, temperatuur
en andere meteorologische variabelen op alle roosterpunten en voor alle lagen;
ze worden onder andere gepresenteerd in kaartvorm. Dit maakt directe vergelijking
mogelijk met wat er op een weerkaart, of op een satelliet- of radarbeeld is te
zien.
In Nederland beschikt het KNMI over een eigen computermodel, dat prognoses
maakt tot 2 dagen vooruit. Daarnaast heeft men de beschikking over prognoses tot
tien dagen vooruit van het Europees weercentrum ECMWF in Reading, Engeland. In
dit centrum wordt ook gewerkt aan de ontwikkeling van seizoensverwachtingen.
13.6
Statistische verwachtingen
Naast de extrapolatiemethode en de computermodellen worden ook veel statistische
methoden gebruikt ter ondersteuning van het maken van een weersverwachting.
Dergelijke methoden geven veelal een kansverwachting voor het optreden van een
bepaald weerverschijnsel. Die kansverwachting is dan gebaseerd op de uitkomsten
van de modellen, maar ook op klimatologische gegevens en de invloed van lokale
omstandigheden. Statistische methoden geven de mogelijkheid in beperkte mate
weersverwachtingen die in feite voor een wat groter gebied gelden, zodanig aan
te passen, dat ze meer voor bepaalde plaatsen of kleinere gebieden gebruikt
kunnen worden. Ook kunnen er kansen en prikwaarden voor grootheden mee voorspeld
worden die niet rechtstreeks door atmosfeermodellen worden berekend, bijvoorbeeld
de kans op onweer, de kans op mist of de kans op vorst aan de grond.
13.7 Betrouwbaarheid
Hoe goed de atmosfeermodellen tegenwoordig ook zijn, ze hebben ook beperkingen,
waarvan we er een aantal noemen:
- de uitgangstoestand is nooit precies bekend
In principe moet de toestand van de atmosfeer precies bekend zijn om een goede
verwachting te kunnen maken. De waarneemmogelijkheden zijn echter beperkt. Is
de schaal van de weersystemen te klein, dan kan die onvoldoende in kaart gebracht
worden, zodat de onnauwkeurigheid van de berekeningen toeneemt.
- de modellen
zijn beperkt
De modellen die gebruikt worden, rekenen op computers en zijn
daardoor beperkt: ze kunnen nooit de gehele werkelijkheid weergeven, zelfs niet
als alle schalen van het weer onbeperkt nauwkeurig bekend zouden zijn.
- natuurkundige
processen ten dele bekend
De natuurkundige processen die het weer bepalen
zijn maar in beperkte mate bekend. Alleen door het maken van vereenvoudigde modellen
van de verschillende processen, kunnen bruikbare modellen van de atmosfeer gemaakt
worden.
- onvermijdelijke onvoorspelbaarheid
Naast deze factoren speelt
nog een rol dat de atmosfeer maar in beperkte mate voorspelbaar is. Kleine verstoringen
in de uitgangstoestand kunnen leiden tot meerdere vervolgtoestanden die onderling
zeer sterk uiteenlopen en al na enkele dagen resulteren in volslagen verschillende
weersituaties voor een bepaald gebied.
EPS-verwachtingen van de kerststorm Lothar uit 1999. Het betreft
verwachtingen voor 42 uur vooruit; ze lopen opvallend sterk uiteen.
Verscheidene
ensembleleden geven aanwijzingen voor de sterke activering van een weersysteem.
De standaardverwachting (linksboven) onderschatte de
ernst van de opgetreden
situatie, die is weergegeven in het kaartje direct daarnaast.
13.8 Ensembleverwachtingen
De fouten in de uitkomsten van de berekeningen van atmosfeermodellen worden, zoals
hierboven reeds aangegeven, deels veroorzaakt door 'fouten' in de uitgangssituatie
voor de berekeningen. Deze zijn een direct gevolg van de begrensde meetnauwkeurigheid
van weerwaarnemingen. En dan hebben we het nog alleen over de gebieden waar waarnemingen
beschikbaar zijn; elders blijft het min of meer gissen. De weerkaart, die de atmosfeermodellen
als startpunt gebruiken, staat dan ook bekend als het gisveld; het gisveld is
de meest recente voorspelling van het model, meestal berekend op basis van de
weersituatie van 6 of 12 uur terug. De beschikbare waarnemingen worden gebruikt
om dat gisveld verder in overeenstemming te brengen met de werkelijkheid; pas
daarna gaan de berekeningen van start. Kleine verschillen in de analyse, zoals
de uitgangssituatie voor de modelberekeningen meestal wordt genoemd, kunnen grote
gevolgen hebben voor de verwachtingen, vooral in de periode van 5 tot 10 dagen
vooruit. Daarom maakt men op het Europees weercentrum 51 extra verwachtingen,
die werken met elk een iets andere analyse. Op deze manier worden de verschillende
foutenbronnen in de analyse nagebootst, zodat de effecten ervan op de voorspellingen
van het atmosfeermodel kunnen worden onderzocht.
Het opstellen van 51 extra
verwachtingen vergt veel computertijd, maar die tijd is slechts beperkt beschikbaar.
Om binnen de mogelijkheden te blijven, is daarom bij de extra berekeningen gekozen
voor een variant van het ECMWF-model waarbij de roosterpuntafstand is verdubbeld.
Wel controleert men de gevolgen van deze ingreep; een van de berekeningen, de
zogeheten controlerun, gebruikt precies dezelfde uitgangssituatie als de standaardverwachting.
De overige 50 keer is de analyse iets aangepast. De aanpassingen of, zoals de
meteorologen zeggen, de verstoringen van de oorspronkelijke analyse, worden zorgvuldig
gekozen. Zou men dat niet doen, dan waren 50 extra verwachtingen lang niet genoeg
om alle mogelijke varianten in de weersontwikkelingen te kunnen voortbrengen.
Door echter te werken met handig gekozen verstoringen, - namelijk die welke de
grootste effecten laten zien in de berekende verwachtingen, - kan men met een
beperkt aantal computerberekeningen volstaan. De weersituatie die uiteindelijk
optreedt, valt daardoor in bijna alle gevallen binnen de oplossingen die het ensemble
voortbrengt.
Figuur: Kanskaartje.
Verklaring: zie tekst. | De
EPS-pluim voor De Bilt. Er worden drie grootheden gepresenteerd: neerslaghoeveelheid
per tijdvak van 12 uur (boven), de windsnelheid (midden) en de temperatuur (onder).
Steeds geeft de dikke rode lijn de 'standaardverwachting'. De blauwe streepjeslijn
toont de resultaten van de controleverwachting. De 50 groene lijnen geven de 50
extra verwachtingen. |
Een van de toepassingen van het verwachtingssysteem met de vele herberekeningen is het maken van kansverwachtingen. Als bijvoorbeeld van een verzameling met van 50 verwachtingen er 10 zijn die ten minste 1mm neerslag per etmaal voorspellen, dan is de kans daarop 20%. In het kanskaartje (zie figuur) zijn dergelijke kansen weergegeven. De lijnen geven de kanswaarden van 2, 20, 40 60 en 80%, wat overeenkomt met 1, 10, 20, 30 of 40 leden van het ensemble. Ook de pluimpresentatie (zie figuur) is gebaseerd op een groot aantal verwachtingen voor hetzelfde tijdstip. De voorspellingen voor temperatuur, neerslag en wind van het 'gewone' atmosfeermodel zijn rood ingetekend, die van de controlerun blauw, terwijl de 50 overige verwachtingen geplot zijn als groene lijnen.