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 hoeronder), 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! (zie kaartje hieronder).

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.

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.

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.

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.

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.