Kaj so meteorološki modeli in kako napovedujejo vreme?

Meteorološki model je skupek matematičnih enačb, ki v osnovi opisujejo gibanje zraka in pretvorbo vodne pare v atmosferi in se izračunavajo s superračunalniki. Za simuliranje vremenskega dogajanja v prihodnosti je treba najprej čimbolj točno poznati trenutno stanje. Za merjenje vremenskega stanja pri tleh ter visoko v ozračju se uporablja številne merilne naprave in sisteme, kot so meteorološke postaje, meteorološki radarji, radiosonde, sidrane in potujoče boje, ladje, letala, geostacionarni in polarnoorbitalni sateliti itd. Ogromne količine izmerjenih in daljinsko zajetih podatkov se nato obdelujejo in uporabljajo kot vhodni podatki za meteorološke modele. Najprej se podatki preračunajo na pravilno geografsko mrežo, ki pokriva del zemeljskega površja ali celotno Zemljo. Računske točke so razporejene horizontalno po površju in vertikalno skozi ozračje. Kljub vsem meritvam so pri simuliranju trenutnega stanja v ozračju začetni pogoji znani le z omejeno natančnostjo, zaradi česar še tako dober model ne more zagotoviti popolne zanesljivosti napovedi. Zelo majhne razlike ali napake pri simulaciji začetnega stanja lahko namreč v napovedi privedejo do velikih odstopanj. Za dober izračun je zelo pomemben tudi opis reliefa površja v modelu, kar je odvisno od prostorske ločljivosti modela.

Z izredno zmogljivimi računalniškimi sistemi se v vsaki točki geografske mreže rešujejo enačbe, ki opisujejo spreminjanje temperature vlage, vetra sončnega obsevanja površja in drugih vremenskih spremenljivk. Pri tem je potrebno upoštevati mnogo dejavnikov, kot so relief, rastlinska odeja, vodne površine in morja, količina vode v tleh, ledene površine in površine, prekrite s snegom, astronomski dejavniki … Zaradi prej omenjenih nepopolnih podatkov začetnega oziroma trenutnega stanja v atmosferi se namesto ene same napovedi izračuna več različnih, pri čemer je pri vsaki dodatni napovedi rahlo spremenjeno začetno stanje, s čimer se poskuša simulirati morebitne pomanjkljivosti dejanskih meritev in izračuna trenutnega stanja ter učinek kaosa, pri katerem zelo majhna sprememba v prostoru in času lahko povzroči velike učinke. Množica takšnih napovedi, ki jih izračuna en meteorološki model, predstavlja ansambelsko oziroma skupinsko napoved. Te so zaradi večjega števila izračunov in velike količine podatkov izračunane v bolj grobi prostorski ločljivosti (redkejša mreža točk), kot glavni zagoni modela. Bolj so napovedi posameznih članov skupine med seboj različne, večja je praviloma negotovost napovedi. Glede na razpršenost skupinskih napovedi se preverja tudi zanesljivost glavnega izračuna z najboljšimi začetnimi pogoji in ločljivostjo. Analize trenutnega stanja in izračuni meteoroloških modelov v velikih svetovnih meteoroloških centrih potekajo vsaj dvakrat dnevno. Izračuni pri globalnih modelih kot sta ECMWF in GFS sicer segajo do 15 dni vnaprej, vendar se napovedi za drugo polovico računskih intervalov iz zagona v zagon lahko zelo spreminjajo.

Napovedljivost vremena je zaradi kaotične narave procesov v atmosferi še vedno omejena in tesno povezana z velikostjo in “življensko dobo” vremenskih procesov. Prav zaradi tega se pojava lokalne nevihte pogosto ne da napovedati niti eno uro vnaprej, nastanek in poti večjih vremenskih sistemov, kot so cikloni in anticikloni, pa lahko dokaj uspešno napovemo tudi dober teden dni vnaprej.

Mednarodni in državni meteorološki centri po svetu so razvili številne modele, ki se med seboj razlikujejo. Vsak od njih je namreč nekoliko drugačen, saj se uporabljajo različne enačbe za reševanje različnih fizikalnih procesov, ki vplivajo na vremensko dogajanje. Modeli imajo tudi različno prostorsko in časovno ločljivost ter uporabljajo nekoliko drugačne kombinacije začetnih pogojev oziroma vhodnih podatkov. Te majhne razlike med posameznimi modeli se lahko skozi čas povečujejo, saj je atmosfera kaotičen sistem. To pomeni, da tudi vse napake, ki jih modeli naredijo v bližnji prihodnosti, s časovno oddaljenostjo eksponentno naraščajo. Zaradi tega je napoved za teden dni vnaprej precej manj točna od napovedi za naslednji dan.

Končni rezultati meteoroloških modelov so različne vizualizacije podatkov vremenskih spremenljivk, kot so vremenske karte, različni grafi, računske sondaže, vertikalni preseki itd., ki prikazujejo spreminjanje številnih izračunanih parametrov, s katerimi si meteorologi prognostiki pomagajo pri interpretaciji vremenske napovedi, katero nato na razumljiv način podajo v javnost. Ker se vseh procesov v ozračju ne da zajeti v poenostavljene matematično-fizikalne računalniške modele, so pri napovedovanju nekaterih vremenskih spremenljivk, zlasti tistih, ki so vezane na manjša in specifična območja, subjektivne ocene in napovedi meteorologov še vedno zelo pomembne.

Razlike med globalnimi in regionalnimi meteorološkimi modeli

Izračuni globalnih meteoroloških modelov potekajo na območju cele Zemlje, medtem ko regionalni modeli trenutno in pričakovano bodoče vremensko stanje izračunavajo na manjših območjih, kot so posamezne celine, deli celin, regije ali države. Poleg prostorske, je pomembna tudi časovna razlika in razlika v prostorski ločljivosti modelov. Tipična horizontalna ločljivost globalnih modelov je od 25 do 50 km, medtem ko imajo regionalni modeli lahko precej bolj gosto mrežo računskih točk z bolj natančno definiranim površjem oziroma modelom reliefa. Njihova ločljivost znaša od približno 10 km pa vse do 1 km. Zaradi boljšega upoštevanja orografije in s tem povezanih vplivov na lokalno vreme ter upoštevanja lokalnih meritev lahko regionalni modeli precej bolj natančno in podrobno napovejo vreme na manjših območjih. Mnoge lokalne vremenske dejavnike in razmere, kot so prizemna temperaturna inverzija v dolinah in kotlinah, lokalni pobočni vetrovi, območja dviganja in spuščanja zraka, orografske padavine, vplivi vodnih teles in mestnega toplotnega otoka itd. lahko regionalni modeli precej dobro predvidijo, medtem ko nekatere izmen njih globalni modeli zaradi precej bolj grobe ločljivosti niti ne morejo zaznati. Poleg tega so nekateri vremenski procesi, tu gre poudariti predvsem nevihte, zelo lokalnega značaja in se pojavljajo na omejenih območjih, zato so regionalni modeli lahko precej bolj natančni pri predvidevanju lokalnih območij konvergenc in proženja nevihtnih celic, posledično pa lahko bolj natančno napovejo tudi gibanje ter intenzivnost neviht. Podobno velja za območja talne temperaturne inverzije, ki so vezana na doline, kotline in manjše reliefne kotanje ter območja fenskega učinka zaradi spuščanja in segrevanja zraka na zavetrni strani reliefnih pregrad. Regionalni modeli z visoko prostorsko ločljivostjo so precej bolj uporabni tudi za napovedovanje višine snežne odeje, saj je ta še posebej v razgibanem reliefu lahko zelo spremenljiva že na kratke razdalje.

Začetne in robne pogoje, ki so potrebni za izračun regionalnega modela, se pridobi iz globalnih modelov. Robni pogoji so potrebni zato, ker se regionalni model izračunava na omejenem območju oziroma domeni, za dobro napoved pa potrebuje podatke tudi iz okolice izven njegove domene. Posebej pomembni so podatki v smeri, iz katere vremenski procesi večinoma prihajajo v domeno regionalnega modela. Zaradi večje prostorske ločljivosti se regionalni modeli poganjajo za krajše časovno obdobje, ponavadi do 3 dni vnaprej, medtem ko napovedi globalnih modelov segajo tudi do 15 dni v naprej ali še nekoliko več. Dlje v prihodnost segajo sezonski modeli, ki pa so na daljši rok trenutno še precej nezanesljivi.

Primeri globalnih meteoroloških modelov so: ECMWF (evropski, HRES ~ 9 km, EPS ~ 14 km), GFS (ameriški, ~ 23 km), UKMO (britanski, ~ 17 km), ICON (nemški, ~ 13 km), ARPEGE (francoski, ~ 46 km), GEM (kanadski, ~ 22 km) …

Primeri regionalnih modelov so: ALADIN (slovenski ~ 4,4 km), WRF-ARW in WRF-NMM (2 do 12 km), ICON-EU (~ 7 km), Swiss HD (Super HD) (~ 1 km), AROME (~ 1 km), COSMO-D2 (~ 2,2 km), HIRLAM-FMI (~ 7 km), HRRR (~ 3 km) …

Slovenski meteorološki model ALADIN/SI se izračunava v horizontalni ločljivosti 4,4 km, v navpični smeri pa ima 87 računskih ravni. Model poganja superračunalnik v kleti Agencije RS za okolje. Nova vremenska napoved se izračunava vsake 3 ure, pri čemer se vsakič uporabijo čim bolj sveži vhodni podatki meritev. Grafični produkti modela (karte, vertikalni časovni preseki in računske vertikalne sondaže) so na voljo na spletnih straneh ARSO.

Za lažjo predstavo kaj pomeni prostorska ločljivost modela in razlike med njimi, dodajamo karte Slovenije in okolice, na katerih je prikazan modelski relief, torej relief, z upoštevanjem katerega posamezen model izračunava napoved.

Relief ameriškega modela GFS (~ 23 km), vir: Meteologix.com

 

Relief modela ICON-EU (~ 7 km), vir: Meteologix.com

 

Relief modela COSMO-D2 (~ 2,2 km), vir: Meteologix.com

Relief evropskega modela ECMWF HRES (~ 9 km), vir: Meteologix.com

 

Relief modela ALADIN/SI (~ 4,4 km), vir: ARSO

 

Relief modela Swiss HD (~ 1 km), vir: Meteologix.com

Viri:

• Reynolds, R., 2004. Vremenski vodnik. Ljubljana, Tehniška založba Slovenije, 192 str.
• Pogosta vprašanja, ARSO
• Meteologix.com
• Kako se rodi vremenska napoved?, Val 202

Kje si lahko ogledamo produkte zgoraj omenjenih meteoroloških modelov?

Poznamo številne strani, ki ponujajo vizualizacijo izračunov tako globalnih kot regionalnih meteoroloških modelov. Upodobitev modelske napovedi je lahko v obliki enostavnih števil in vremenskih ikon ali bolj zapletenih kart, grafov, presekov, indeksov itd.). Najbolj razširjena in najpogosteje uporabljana sta globalna modela GFS (Global Forecast System – Globalni sistem za napovedovanje vremena) in ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts – Evropski center za srednjeročne vremenske napovedi). Prvega poganjajo na ameriškem NCEP (National Centers for Environmental Prediction – Državni center za okoljske napovedi) pod okriljem NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – Državna administracija za oceane in ozračje), drugega, ECMWF, na istoimenski organizaciji, Evropskem centru za srednjeročne vremenske napovedi v Readingu v Veliki Britaniji. Na spletu so večinoma dosegljivi modelski izračuni, ki jih NCEP, ECMWF ter druge (državne) meteorološke službe in organizacije objavljajo v javnost in so prosto dostopni bodisi na njihovih spletnih straneh ali pa numerične podatke vizualizirajo drugi (npr. vremenske spletne strani, podjetja, posamezniki …). Posamezne državne meteorološke službe za širše območje svojih držav za kratkoročne napovedi poganjajo tudi regionalne modele z boljšo prostorsko ločljivostjo (npr. ALADIN). Nekatere regionalne modele (npr. WRF) izračunavajo tudi podjetja ali posamezniki na domačih računalniških sistemih.

V nadaljevanju posredujemo povezave do nekaterih najbolj uporabnih spletnih strani s produkti meteoroloških modelov za območje Evrope in Slovenije.

Primeri različnih vizualizacij napovedi meteoroloških modelov

Animacija napovedi padavin na podlagi globalnega meteorološkega modela GFS (wxmaps)

Interaktivna vremenska karta

Interaktivna vremenska karta prikazuje temperaturo in smeri vetrov pri tleh na območju Evrope, premaknete pa se lahko tudi na druge dele sveta. Za celozaslonski prikaz v novem oknu kliknite na napis earth. Tam lahko vključite tudi druge vremenske spremenljivke in se pomikate skozi čas. Animirana karta je vizualizacija podatkov ameriškega meteorološkega modela GFS.

Graf s potekom in napovedjo NAO indeksa (North Atlantic Oscillation – Severnoatlantsko nihanje) na podlagi skupinskega izračuna GFS (CPC NCEP)

Graf s potekom in napovedjo smeri in hitrosti stratosferskih vetrov (na višini 10 hPa na 60° severne geografske širine) na podlagi skupinskga izračuna GFS in sezonskega modela CFS (weatheriscool.com)

Opis kart z osnovnimi spremenljivkami, ki se najpogosteje uporabljajo pri vremenski napovedi

Temperatura (°C) na višini, kjer zračni tlak znaša 850 hPa in višina geopotencialne ploskve 850 hPa (gpdm)

Vir karte: Wetterzentrale.de

Temperatura na višini tlaka 850 hPa (približno 1500 m nadmorske višine) je ena najbolj uporabnih spremenljivk za napovedovanje vremena, saj predstavlja temperaturo proste atmosfere oziroma zračnih mas, ki prihajajo nad določeno območje, hkrati pa je dovolj blizu tlom, da ima bistven vpliv tudi na temperaturo pri tleh. Advekcija hladnejše/toplejše zračne mase na 850 hPa skoraj zagotovo pomeni ohladitev/otoplitev tudi pri tleh. Karta je še posebej uporabna za napovedovanje temperatur v sredogorju, na nadmorskih višinah okrog 1500 m, saj je v gorah zaradi manjše površine tal vpliv proste atmosfere večji kot po nižinah ali v dolinah. Praviloma temperatura okrog 0 °C na 850 hPa pomeni, da se po nižinah ob jasnem in mirnem vremenu lahko ponoči ohladi vsaj do 0 °C, pogosto pa tudi pod 0 °C.

Če vemo, da je v troposferi vertikalni temperaturni gradient v povprečju približno 6,5 °C/km, lahko ocenimo, kakšna bo predvidoma temperatura na določeni nadmorski višini (npr. po nižinah na 200 m). Pri tem se je potrebno zavedati, da temperaturni gradient ni konstanten, saj ob pojavu temperaturnega obrata (inverzije) temperatura z višino od tal narašča, v zelo nestabilnem ozračju pa gredient lahko doseže tudi 10 °C/km.

Na karti je z barvnimi odtenki prikazana temperatura na ploskvi tlaka 850 hPa. Barvna polja ločujejo izoterme – linije, ki povezujejo območja z enako temperaturo. Bele linije predstavljajo izohipse, črte, ki povezujejo območja z enako višino ploskve 850 hPa. Ploskev je namreč nekoliko nižje na območjih ciklonov in nekoliko višje na območjih anticiklonov.

Višina geopotencialne ploskve 500 hPa (gpdm), temperatura na pritiskovi ploskvi 500 hPa (°C) in zračni tlak, reduciran na nivo morske gladine (hPa)

Vir karte: Wetterzentrale.de

Na karti lahko prepoznamo in razberemo lego in gibanje grebenov, dolin, anticiklonov, ciklonov, blokad in višinskih jeder hladnega zraka oziroma višinskih ciklonov.

Višina geopotencialne ploskve 500 hPa (približno 5500 m nadmorske višine) v geopotencialnih dekametrih (gpdm) nam v grobem ponazarja območja dolin in grebenov, kar se večinoma ujema tudi z območji hladnejšega ali toplejšega zraka v višinah. Sive prekinjene linije (izoterme) omejujejo območja z enako temperaturo na ploskvi 500 hPa. Dolina predstavlja zajedo hladnejšega zraka proti jugu (ekvatorju), greben pa zajedo toplejšega zraka proti severu (polu). Izmenjavanje dolin in grebenov okrog zemeljske oble na zmernih geografskih širinah imenujemo Rossbyjevo valovanje in predstavlja dinamičen stik toplejših zračnih mas z juga in hladnejših s severa. Barvna polja na karti ločujejo izohipse, linije z enako višino geopotencialne ploskve 500 hPa. Če število na barvni skali pomnožimo z 10, dobimo nadmorsko višino v metrih. Bele krivulje predstavljajo izobare, črte, ki povezujejo točke z enakim zračnim tlakom, preračunanim na srednji nivo morske gladine (0 m). Kjer so izobare sklenjene, tam so območja nizkega ali visokega zračnega tlaka oziroma cikloni ali anticikloni. Če je zračni tlak znotraj sklenjenih izobar nižji kot v okolici, barično tvorbo imenujemo ciklon, če je višji kot v okolici, pa anticiklon. Območja nizkega ali visokega zračnega tlaka, ki niso sklenjena (v obliki loka, polkroga ali nepravilne oblike), so bodisi doline (nižji tlak in nižje višine ploskve 500 hPa), bodisi grebeni (višji tlak in višje višine ploskve 500 hPa) oziroma manj izraziti anticikloni. Sekundarni prizemni cikloni ponavadi nastajajo na vzhodni/jugovzhodni strani doline. Tam zrak hitreje odteka kot priteka, kar ustvari območje nizkega zračnega tlaka. Če se dolina nahaja zahodno od nas, to ponavadi prinaša oblačno in deževno vreme s pogostimi cikloni in vremenskimi frontami. Obratno je, če se naši kraji nahajajo na zahodni strani doline oziroma je dolina vzhodno od nas ali se nad naše kraje celo razširi greben. Takrat smo deležni stabilnega, sončnega in suhega vremena. Anticikloni se praviloma nahajajo na vzhodnem robu grebena oziroma sovpadajo s središčem grebena (blokade). V zmernih geografskih širinah nastajajo, ker zrak na vzhodni strani grebenov hitreje priteka kot odteka, zaradi česar se kopiči, ustvarja višji zračni tlak ter se počasi spušča. Blokade so zaradi svoje vertikalne strukture (ujemanje visokega tlaka pri tleh s središčem grebena v višinah) lahko še posebej dolgotrajne in onemogočajo oziroma blokirajo splošne zahodne zračne tokove, povzročajo pa (meridionalne) tokove v smeri sever-jug. Če se se naši kraji nahajajo vzhodno od blokade, dovolj daleč od njenega središča, smo lahko deležni prodorov zelo hladnega zraka s severa, ki potuje še daleč proti jugu.

Izraziti prizemni anticikloni nad prostranimi celinami lahko nastajajo tudi pod višinskimi dolinami hladnega zraka ali na njihovem robu. V takšnih primerih gre za tako imenovane termične anticiklone, katerih glavni vzrok ni toplejša zračna masa in stekanje, kopičenje ter spuščanje zraka v višinah, temveč zelo hladen (težji) zrak pri tleh. Tovrstni anticikloni so v nasprotju s toplejšimi (subtropskimi) z nadmorsko višino vse manj izraziti. Najpogosteje nastajajo pozimi nad ohlajeno, s snegom prekrito celino (npr. nad Rusijo – sibirski anticiklon).

Od višinske doline se lahko odcepi jedro hladnega zraka in zaide tudi nad območje anticiklona. Temu pravimo višinsko jedro hladnega zraka (višinska kaplja), s katerim je povezan pojav višinskega ciklona. Poleti je ta zaradi nestabilnosti zračne mase (povečan temperaturni gradient, ki omogoča izrazita vertikalna gibanja) pogosto vzrok za nastajanje neviht. Gibanje višinskih jeder hladnega zraka je precej nepredvidljivo, saj so ti odcepljeni od izvornih dolin in “plavajo” nad območji enakomernega ali visokega zračnega tlaka. Višinski ciklon kljub visokemu zračnemu tlaku pri tleh pogosto povzroča oblačnost in padavine.

Ker vemo, da se zrak v nižjih plasteh atmosfere (na severni polobli) v anticiklonu premika v smeri urinega kazalca in navzven, v ciklonu pa proti središču v nasprotni smeri urinega kazalca, lahko s pomočjo karte na podlagi razporeditve baričnih tvorb, grebenov in dolin ocenimo glavne zračne tokove in potek vetrnega stržena. Na vzhodni strani anticiklona se tako zračna masa premika od severa proti jugu, na vzhodni strani ciklona pa proti severu. Na podlagi tega lahko tudi sklepamo, kakšne so temperature zraka, ki priteka (povezava s karto temperatur na 850 hPa). Bolj so izobare nagnetene skupaj, hitrejši so tokovi zraka na tistem območju (močni vetrovi).

Karto zračnega tlaka z izobarami si lahko predstavljamo kot zemljevid z reliefom (gore in doline), ki je prikazan s plastnicami. Višji zračni tlak bi v tem primeru pomenil hrib (vzpetino), nižji zračni tlak pa dolino ali kotanjo (kotlino). Lahko si predstavljamo, da se zrak obnaša kot voda, ki s hriba odteka v kotanjo in jo napolni. Podobno se dogaja z zrakom v nižjih slojih atmosfere, le da zaradi vrtenja Zemlje in Coriolisovega učinka ta ne potuje naravnost na dno (v središče ciklona), temveč se njegova pot odkloni in zaokroži.

Na konkretnem primeru priložene karte (napoved modela GFS) vidimo greben, ki se iznad vzhodnega Atlantika vzpenja preko Islandije vse do Grenlandije (rumeni in oranžni barvni odtenki). Na območju grebena je zračni tlak visok (1015 do 1030 hPa, pritiskova ploskev pa je višje od 5500 m). Nasprotno se nad območje srednje Evrope vse do Sredozemlja spušča globoka dolina s hladnim zrakom (zeleni in modri barvni odtenki), kjer je višina ploskve 500 hPa nižje od 5500 m, nižji je tudi zračni tlak. Na južnem in vzhodnem robu doline (severno Sredozemlje in vzhodna Evropa) nastajajo plitvi sekundarni cikloni. Še ena dolina, ki se (glede na napoved) odcepi v višinsko jedro hladnega zraka, sega iznad vzhodne Kanade in Hudsonovega zaliva nad severni Atlantik, s ciklonom južno od Grenlandije. Temperature zraka na višini ploskve 500 hPa so na območju grebena višje, na območju doline nad Evropo pa precej nižje. Na prejšnji karti temperature na 850 hPa ploskvi se to prav tako odrazi v višjih temperaturah na območju grebena in nižjih temperaturah na območju doline (izrazita ohladitev nad Evropo). Za boljšo predstavo povezav med obravnavanimi spremenljivkami dodajamo še dve karti, in sicer zgolj napovedano temperaturo na 500 hPa (na prejšnji karti je ta slabše razvidna) in napovedano odstopanje temperature na ploskvi 850 hPa od dolgoletnega povprečja. Ob primerjavi obeh kart je dobro razvidno, kako višinska dolina hladnega zraka privede do izrazite ohladitve v nižjih slojih troposfere, kar vpliva tudi na ohladitev pri tleh. Ob primerjavi različnih kart je potrebno upoštevati nekoliko drugačne projekcije in okvirje (območja) prikaza.

Karta odstopanja temperature na ploskvi 850 hPa od dolgoletnega povprečja. Vir: Wetterzentrale.de