Novi MeteoAdriatic portal konačno je opet online! Najnapredniji sustav računalne vremenske prognoze u Hrvatskoj od sad je i vama na raspolaganju u novom izdanju.

Kakve sve novosti donosi pogledajte u priloženom videu:

Numeričko modeliranje atmosfere danas je temeljni način prikupljanja podataka kojima se prognostičari služe u sastavljanju vremenske prognoze. Numeričko modeliranje atmosfere spada među znanstvenoistraživačke metode modeliranja.

Modeliranje kao metoda znanstvenog istraživanja se upotrebljava najčešće onda kad se nema dovoljno znanja o predmetu proučavanja, ili je izravno proučavanje predmeta istraživanja nepraktično ili nemoguće. U takvim se slučajevima koristi model umjesto originala kao predmet
istraživanja i smatra se kako se zaključci proizašli iz proučavanja modela u određenoj mjeri mogu smatrati istinitima i za sam predmet istraživanja – original

Računala spašavaju stvar

Modeliranje atmosfere je prema tome način za neizravno proučavanje njezinih svojstava, pri čemu se matematičkim putem u računalnom programu opisuje njezino stanje u nekom trenutku, kao i promjena stanja tijekom nekog vremenskog razdoblja. Ukoliko je izračun u modelu dovoljno brz, tad će se promjena stanja modela događati brže nego promjena stanja atmosfere i to je temeljni uvjet da bi pomoću modela zapravo mogli prognozirati vrijeme unaprijed. Naime, da bi prognozirali vrijeme unaprijed, moramo imati rezultate modela dovoljno rano, u pravilu znatno ranije nego dođe stvarni trenutak na koji se ti rezultati odnose. Tu u problematiku rješavanja atmosferskih modela
uskaču računala koja obrađuju veliku količinu podataka u dovoljno kratkom vremenu i na taj način omogućuju prognostičaru uvid u očekivano stanje atmosfere u nekom trenutku u budućnosti.

Atmosfera je tanki plinoviti omotač oko Zemlje u kojemu se događaju kompleksni termodinamički, kemijski i dinamički procesi. Prvi pokušaji da se matematičkim putem opišu takvi procesi sežu u 1920-te godine, ali do izuma računala 1950-tih godina nije bilo moguće imati realistične rezultate takvih matematičkih modela. Danas se velik broj globalnih i regionalnih modela upotrebljava diljem svijeta, pri čemu se koriste različita mjerenja sa satelita, radio sondi i drugih načina za meteorološka mjerenja aktualnog stanja kao ulaznih podataka u model.

Matematika i fizika modela su temelj vremenske prognoze Model sadrži matematičke dinamičke jednadžbe koje opisuju kretanje fluida (atmosfere). S obzirom na to da matematičkim putem nije moguće ili bi bilo prekompleksno prikazati velik broj fizikalnih i kemijskih procesa u atmosferi, osim dinamičkih jednadžbi koje opisuju kretanje fluida koriste se i različite parametrizacije unutar modela. Parametrizacije modela su načini za predstavljanje fizikalnih i kemijskih procesa koji se ne mogu izravno opisati matematičkim jednadžbama ili bi za njihovo rješavanje izravnim putem bili potrebni preveliki računalni resursi.

Pritom se koriste različite statističke i slične pretpostavke koje u modelu više ili manje točno oponašaju stvarne procese u atmosferi i interakciju atmosfere s podlogom i Sunčevim zračenjem. Primjeri za takve parametrizacije su razmjena topline u sistemu podloga-atmosfera, pretvorba
vodene pare u oblake i oborine, turbulencija, termičko miješanje planetarnog sloja, utjecaj trenja podloge na zračna strujanja i slično.

Iz navedenog je jasno kako se model atmosfere u mnogočemu razlikuje od stvarnosti. Dinamičke jednadžbe koje opisuju kretanje fluida su u pravilu pojednostavljene zbog bržeg izračunavanja, a fizikalno-kemijske parametrizacije su sve samo ne savršeno modelirani procesi u stvarnosti. Na kraju, sam model radi na principu izračunavanja stanja atmosfere u konačnom broju točaka prostora, poredanih u takozvani grid – mrežu točaka u horizontalnom i vertikalnom smjeru, pri čemu gustoća tih točaka određuje horizontalnu te vertikalnu rezoluciju modela. Drugim riječima, model je prilično gruba aproksimacija stvarnosti, no i takav u praksi služi dosta dobro za svoju
namjenu. Ipak, zbog svojih nedostataka potreban je oprez i iskustvo u tumačenju rezultata
modeliranja.

Integracija modela kroz vremensku dimenziju i računalni resursi Model tijekom svojeg rada simulira stanje atmosfere u malim vremenskim koracima (u terminologiji modela: time step), tipično dugim nekoliko sekundi. Taj proces se naziva vremenskom integracijom modela. U odabranim trenucima vremenske integracije, npr. svakog sata, stanje modela se sprema u izlazne datoteke, iz kojih se kasnije dobivaju meteorološki parametri poput naoblake, oborina, temperature, vjetra itd. Vremenski korak integracije u prvom redu je zavisan o rezoluciji grida, jer zračna strujanja ne smiju proći kroz cijelu ćeliju grida prije nego budu izračunata u sljedećem vremenskom koraku. Stoga što je gušći grid to je vremenski korak nužno manji, a to za sobom povlači i proporcionalno više izračuna, odnosno, potrebnih računalnih resursa.

Osim za svaki vemenski korak, računalo troši resurse za izračun u svakoj točki grida, pa je i zbog toga porastom gustoće grida potreba za resursima sve veća i veća. Na primjer, povećanje rezolucije grida “upola” – recimo s 20 na 10 kilometara rezolucije, povlači za sobom oko 8 puta više računalnih resursa za integraciju.

Asimilacija ulaznih podataka u model. Kako bi model mogao započeti vremensku integraciju, nužno je da se u njega “ubaci” stanje u određenom početnom trenutku. Taj trenutak se naziva trenutkom inicijalizacije modela, a temelji se na tzv. asimilaciji podataka. Asimilacija podataka podrazumijeva upotrebu izmjerenih vrijednosti u nekom trenutku za kreiranje početnog stanja modela. To se radi putem metoda interpolacije,ekstrapolacije i drugih matematičkih transformacija različitih podataka kao što su meteorološki elementi izmjereni na meteorološkim postajama, podaci s meteoroloških radio sondi, podaci smeteoroloških radara, satelita i druge opreme za mjerenje, opažanje i detekciju različitih atmosferskih procesa i veličina.

NEMS

NEMS je skraćenica od NOAA Environmental Modeling System i predstavlja programski okvir unutar kojeg se izvode već spomenute matematičke jednadžbe i fizikalne parametrizacije procesa kroz integraciju modela, asimilacija izmjerenih podataka, konverzije formata i slični računalni zahvati na modelu atmosfere. Osim NEMS sustava postoje i drugi od kojih je svakako najpoznatiji i nešto dugovječniji WRF. NEMS i WRF su jedini ozbiljni sustavi otvorenog koda koji su upotrebljivi za numeričku analizu atmosfere, i među najboljim su sustavima u svijetu općenito, bok uz bok sa ECMWF-ovim IFS sustavom, DWD-ovim ICON i sličnim perjanicama numeričke meteorologije, te usuđujemo se reći znatno napredniji od nekih – na našim prostorima mnogo popularnijih i razvikanijih numeričkih sustava za vremensku analizu i prognozu. Nedavno poboljšan globalni model GFS (Global Forecast System) također radi pod NEMS programskom arhitekturom i vrlo je bliski rođak NMMB modela koji je središnja tema današnjeg teksta. NEMS i WRF sustavi se razvijaju u SAD, i za razliku od “europske meteorologije”, financirani su isključivo iz državnog proračuna i kao takvi potpuno besplatni za korištenje u neograničenom opsegu.

Nama su NEMS sustavi i dodatno interesantni jer dobar dio znanja na kojemu se oni temelje potječe sa naših prostora. Nekoliko vrsnih meteorologa i programera koji su među vođama numeričkog modeliranja u SAD potječe iz naših krajeva, kao na primjer Zaviša Janjić, Dušan Jović, Ratko Vasić, Fedor Mesinger. Naime, numerička meteorologija zapravo je i krenula “sa Balkana”, davnim razvojem HIBU modela (Hydrometeorological Institute and Belgrade University) tijekom 1970-tih godina od strane tad mladih Mesingera i Janjića. Tijekom 80-tih godina prošlog stoljeća model je doživio preinake te prodan američkom NCEP-u i postao operativni NCEP-ov model od 1993.
godine pod nazivom ETA.

Razvojni tim s Janjićem, Jovićem i Vasićem time nije napustio meteo programiranje već i dan danas u američkom NCEP-u predvodi unaprijeđivanje ove branše atmosferskih modela. Tijekom godina, ETA model doživljava veće promjene i postaje NMM – Nonhydrostatic Mesoscale Model i ulazi pod WRF arhitekturu kao WRF-NMM (WRF – Weather Research and Forecasting).

Posljednja promjena modela nastupa nedavno, kad NMM prelazi iz WRF u NEMS arhitekturu i pritom mijenja grid iz tzv. Arakawa-E u Arakawa-B čime dobija dodatno slovo u naziv i postaje NEMS-NMMB model. Dodatna modernizacija u NMMB verziji dolazi iz vrlo naprednog i
kompleksnog WRF-ARW modela, prilagođavanjem određenih fizikalnih parametrizacija i shema za rad unutar NMMB modela. Odličan model time postaje još bolji i spreman i za najzahtjevnije izazove; NMMB je moguće pokretati u regionalnom ali i u globalnom načinu rada i na vrlo širokom spektru razlučivosti grida, pa tako umjesto “mesoscale” prvo slovo M u nazivu sad znači “multiscale”, a cijela skraćenica Nonhydrostatic Multiscale Model on B-grid.

Crometeo NMMB

Hrvatska javnost bila je u gotovo potpunom “meteorološkom informacijskom mraku” sve do pojave Crometeo/MeteoAdriatic projekta čime je na domaćem webu po prvi puta bilo moguće javno dobiti izračune atmosferskih WRF modela relativno visoke razlučivosti. Crometeo udruga je tom
meteorološkom manjku informacija stala na kraj i barem malo približila američki princip vremenske prognoze i u nas, koji kaže da informacija i znanje moraju biti svima dostupni u svakom trenutku. Nažalost, u Europi to nije službena praksa, već je zarada na prvome mjestu, daleko ispred
informiranja javnosti i općeg dobra. Postoje srećom subjekti koji drugačije razmišljaju, pa tako Crometeo već niz godina preko MeteoAdriatic projekta radi na pravodobnom, preciznom i točnom informiranju javnosti.

U skladu s time Crometeo je ovog ljeta razvio novi regionalni prognostički sustav temeljen na novom NMMB modelu, pod nazivom Crometeo NMMB, čiji su produkti upravo ovih dana ugledali svjetlo javnosti na službenim Crometeo web stranicama. Kao i do sad, računalno konfiguriranje modela uradio je naš profesor sa Pomorskog odjela Sveučilišta u Zadru, Ivan Toman, koji je autor i svih dosadašnjih Crometeo/MeteoAdriatic produkata numeričkog modeliranja i suradnik brojnih institucija i tvrtki diljem Hrvatske i svijeta na polju računalne numeričke meteorologije.

Konfiguracija Crometeo NMMB modela se pokreće na Crometeo serveru i računa očekivano stanje atmosfere nad Hrvatskom i širom regijom dva puta dnevno, do 120 sati unaprijed. Rezolucija mreže grida iznosti 0,1×0,1°, što je ekvivalentno rezoluciji od oko 11 kilometara. Model koristi 48
vertikalnih nivoa i pokreće se na ulaznim podacima iz američkog GFS modela rezolucije 0,25×0,25°.

Daljnji razvoj ovog sustava unutar Crometea bit će usmjeren na povezivanje s visokorezolucijskim modelima iz MeteoAdriatic projekta, u smislu “opskrbe” istih sa rubnim uvjetima, čime bi se oni rasteretili za 30-tak posto u odnosu na sadašnje potrebne resurse, a što će donijeti više slobode u izboru prikladne rezolucije i broja prognoziranih sati.

Komentari