Vejrmodeller
Mange af DMI's produkter og serviceydelser er i dag afhængige af et numerisk vejrforudsigelsessystem af høj kvalitet.
Et sådant system er omfattende og kræver betydelige EDB-resurser. Systemet består, nævnt i naturlig rækkefølge, af følgende komponenter: præprocessering (forbehandling af data), analyse, initialisering, prognose og postprocessering (efterbehandling af data).
Præprocesseringen
Præprocesseringen dekoder bl.a. de mange forskellige typer af kodede vejrobservationer, der fra hele jordkloden ankommer til DMI via det globale telekommunikationssystem (GTS). Observationerne ankommer i klumper efter observationsterminerne, der afhængig af bl.a. datatype er hvert tiende minut for den korteste og hvert døgn for den længste termin. Desuden modtager DMI løbende en stor mængde satellitobservationer fra polære og geostationære satellitter.
En automatisk kvalitetskontrol frasorterer åbenlyst fejlagtige observationer, mens dekodningen sørger for at bringe observationerne på en sådan form, at de kan benyttes af analyse-systemet og den efterfølgende numeriske vejrforudsigelsesmodel, herefter omtalt som vejrmodellen.
Analyse
DMI foretager i dag analyser af atmosfærens tilstand hver sjette time. Som et første gæt på atmosfærens tilstand til analysetidspunktet benyttes en numerisk seks timers vejrprognose gældende til analysetidspunktet.
Under analysen sammenlignes observationerne med de tilsvarende første gæt værdier. Observationer kan undertiden være behæftet med store fejl. For at undgå at sådanne fejlagtige observationer påvirker analysen forkastes observationer, der afviger for meget fra første gæt værdierne.
Den færdige analyse er således en korrigeret prognose, der i størst mulig omfang stemmer overens med både de (normalt mange) observationer, som systemet har accepteret, og første gæt prognosen. Processen omtales som data-assimilering, og gennem denne procedure skabes den statistisk set bedst mulige udnyttelse af tilgængelige data.
Analysen er det bedste bud på atmosfærens tilstand til analysetidspunktet og er samtidig i princippet begyndelsestilstanden for vejrmodellen, der er 'krumtappen' i hele vejrforudsigelsessystemet.
Præcise vejrforudsigelser forudsætter således ikke blot en god vejrmodel, men tillige observationer af høj kvalitet med en tilstrækkelig tæthed i tid og rum.
Initialisering
I det nuværende analysesystem er der ingen garanti for, at de resulterende masse- og vindfelter er i fuldstændig balance. Det betyder, at der i begyndelsen af prognoseberegningerne kan optræde urealistiske bølgebevægelser (dvs. bølger af samme natur som ringe på en vandoverflade), som bl.a. viser sig ved betydelige kortperiodiske svingninger i lufttrykket ved jordoverfladen.
For at komme disse svingninger til livs underkastes analysen en såkaldt initialisering, der er en matematisk metode til at eliminere de uønskede bølger. Det er derfor den initialiserede analyse, som er begyndelsestilstanden i vejrmodellen.
Vejrmodel
Beregningerne i vejrmodellen er i princippet numeriske løsninger af bevægelsesligningerne, den termodynamiske energiligning og kontinuitetsligningen for atmosfæren. Disse ligninger er i rækkefølge matematiske formuleringer af bevarelseslovene for impuls, energi og masse. Tilstandsligningen for en ideel gas benyttes til at bestemme sammenhængen mellem luftens tryk, temperatur og massefylde.
En prognose består i princippet af et antal på hinanden følgende numeriske løsninger af atmosfæreligningerne. I beregningerne indgår et tidsskridt, hvis længde er tidsforskellen mellem gyldighedstidspunktet for en numerisk løsning og den næstfølgende.
I DMI’s mest finmaskede model SKA (kører fra januar 2012) er længden af tidsskridtet på 1,5 minutter og prognoselængden er på 54 timer. Det betyder at prognosen i virkeligheden består af 2160 på hinanden følgende numeriske løsninger af atmosfæreligningerne.
Beregningerne foretages i hvert af modellens gitterpunkter, hvis antal i SKA er omkring 51 millioner. I løbet af en 54 timers prognose skal atmosfærens tilstand derfor beregnes ca. 110 milliarder gange. Oven i kommer både et stort antal fysikberegninger og et stor antal beregninger af jordlagenes og jordoverflades tilstand. De førstnævnte beregninger modificerer atmosfærens tilstand i gitterpunkterne som følge af fysiske processer (f.eks. turbulens og skydannelse) som for en stor del foregår på en rumlig skala, som er mindre end modelgitterets.
Det samlede antal beregninger af atmosfæretilstanden for en 54 timers SKA-prognose når derfor 'astronomiske' højder i størrelsesorden 100 trilliarder (100 x 10^12).
Postprocesseringen
Postprocesseringen er en efterbehandling af de 'rå' data i modellens beregningspunkter. Der beregnes nye data i hvert eneste tidsskridt, men på grund af begrænset lagerkapacitet gemmes der dog permanent kun et udvalg af 'rå' og postprocesserede data.
Under postprocesseringen bliver dataene bl.a. interpoleret til standard trykflader. Der beregnes også et mean sea level (m.s.l.) lufttryk, som i princippet er det lufttryk, man vil forvente ved havniveau, hvis man erstattede landmassen over havniveau med luft. Den grafiske præsentation i DMI's Vejrtjeneste af vejrmodellens prognoseberegninger er baseret på de postprocesserede data.
Redaktion Niels Hansen, kommunikation@dmi.dk
© DMI, 24. november 2011.
|
