Studenci a numeryczne prognozy pogody

I właśnie tu znajdziemy jedyną w Polsce numeryczną prognozę pogody, przygotowywaną przez studentów i pracowników naukowych Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego.

Numeryczna prognoza pogody ICM dostępna jest na stronie internetowej  http://meteo.icm.edu.pl/

"Jesteśmy jedynym w Polsce, a także jednym z niewielu na świecie, akademickim ośrodkiem zajmującym się systematycznym prognozowaniem pogody. Tylko w Stanach Zjednoczonych kilka uniwersytetów ma własne modele prognozowania pogody, które wykorzystują rutynowo do liczenia takich prognoz. W Europie podobne prace prowadzone są jedynie na Uniwersytecie w Bazylei" - wyjaśnia dr Bogumił Jakubiak, meteorolog z ICM.

W opinii naukowca fakt, że operacyjne prognozowanie pogody nie jest popularne na uczelniach, wiąże się z koniecznością nie tylko stworzenia wiarygodnego modelu prognozowania, ale także z uciążliwym rutynowym nadzorem, z pracą w rozproszonym środowisku informatycznym w skali kontynentu oraz z dostępem do odpowiednich zasobów obliczeniowych.

"To jest duże przedsięwzięcie informatyczne i najzwyczajniej w świecie nie wszyscy są w stanie nadzorować taki system" - tłumaczy dr Jakubiak.

NUMERYCZNE, CZYLI OBIEKTYWNE  

Czym różnią się tradycyjne prognozy pogody od nowoczesnych, numerycznych?

Tradycyjne prognozowanie opierało się przede wszystkim na żmudnym nanoszeniu na mapy synoptyczne pomiarów określających m.in. ilość opadów, siłę i kierunek wiatru, wartość temperatury i ich interpretacji przez synoptyków. Bywało, że mapa taka była różnie interpretowana przez różnych synoptyków.

Przy tworzeniu numerycznych prognoz pogody wykorzystuje się natomiast komputery o dużej mocy. Obliczają one pogodę na podstawie skomplikowanych równań, które opisują, w jaki sposób zachowuje się atmosfera. Komputer wektorowy CRAY X1e, wykorzystywany w ICM, ma 128 GB pamięci operacyjnej, 112 procesorów ssp taktowanych zegarem 1.13 GHz i 1.3 TB pamięci dyskowej.

"Numeryczne prognozy pogody wykorzystują osiągnięcia kilku nauk, m.in. matematyki, fizyki atmosfery lub informatyki" - tłumaczy dr Jakubiak.

Ich zaletą jest obiektywność. Oznacza to, że działają one według ustalonego algorytmu, który niezależnie od tego, jak często wykonamy obliczenie, będzie realizowany dokładnie tak samo. Różnice w wynikach dla kolejnych przebiegów będą zależały tylko od danych początkowych, a nie na przykład od doświadczenia synoptyka opracowującego prognozę.

"Nie należy jednak przeciwstawiać modeli numerycznych prognoz pogody (NWP) pracy synoptyków. Modele są tylko narzędziem ułatwiającym przetwarzanie ogromnej liczby danych pomiarowych i tworzenie prognozy, natomiast dobra, profesjonalna interpretacja wyników modeli NWP przez synoptyka zawsze będzie miała swoje znaczenie" - podkreśla dr Jakubiak.

Numeryczna prognoza pogody jest liczona za pomocą skomplikowanych równań różniczkowych, opisujących ewolucję stanu atmosfery w czasie. Atmosfera jest bowiem systemem nieliniowym i można ją opisać wykorzystując równania fizyki atmosfery.

Rozwiązania takich równań dla ograniczonego obszaru wymagają zadania warunków - zarówno początkowych, jak i brzegowych. Dr Jakubiak wyjaśnia, że w przypadku prognozy ICM, warunki brzegowe pobierane są z modelu globalnego Brytyjskiej Służby Meteorologicznej (UKMO - United Kingdom Meteorological Office) w angielskim Braknell.

Do obliczania prognozy niezbędne są również warunki początkowe, które określa się z wyników pomiarów. "Pomiary, dostępne w nieregularnej siatce stacji pomiarowych i obserwacji zdalnych (np. satelitarnych), przekształca się do regularnej siatki obliczeniowej modelu prognozy pogody. Współczesne modele prognoz pogody mają siatki liczące 107 (10 milionów) węzłów wykorzystywane do stworzenia stanu początkowego 105 punktów obserwacyjnych" - tłumaczy naukowiec.

Pomiary wykonuje się jednak nie tylko na powierzchni ziemi, ale także na różnych poziomach atmosfery. Pomiary te wykonuje się dzięki użyciu satelitów - orbitujących i geostacjonarnych, radarów i lidarów (urządzeń laserowych służących badaniu właściwości atmosfery).

POLSKI MODEL MEZOSKALOWY

Stosowany w ICM model prognozowania to model mezoskalowy, przeznaczony dla obszaru Europy Środkowej, o ograniczonym obszarze prognozowania. Dzięki niemu możliwe jest prognozowanie pogody z tzw. mniejszym krokiem przestrzennym (rzędu kilometrów), co pozwala lepiej uwzględniać lokalne cechy podłoża. Są też modele numeryczne obejmujące całą kulę ziemską lub jej regiony; wówczas ich wyniki są bardziej zgeneralizowane.

"Widoczny na stronach ICM model prognozowania obejmuje obszar Europy Środkowej. To jest siatka o rozdzielczości 17 kilometrów. Oznacza to, że w takiej odległości od siebie znajdują się punkty  obliczeniowe w obszarze prognozowania" - wyjaśnia naukowiec.

Takie zagęszczenie punktów obliczeniowych pozwala nam na obejrzenie prognozy zarówno dla Warszawy, Lwowa jak i Zakopanego czy Żagania.

Działający w ICM model numeryczny UMPL (Unified Model for Poland Area) jest wersją opracowanego w Wielkiej Brytanii modelu prognostycznego Unified Model (UM). Model ten jest wykorzystywany przez Brytyjską Służbę Meteorologiczną. Naukowcy z ICM wykorzystują go do swoich badań od 1997 roku.

Do przewidywania, jak zachowają się cząsteczki powietrza niezbędne są dane, dotyczące m.in. temperatury i wilgotności gruntu, ilości opadów, zawartości wody lub lodu w chmurach, ich grubości optycznej, kierunku i prędkości wiatru, wznoszenia się ciepła oraz ciśnienia atmosferycznego.

Dane te jednak w przypadku numerycznych prognoz pogody nie są nanoszone na tradycyjne mapy, lecz są przekształcane w węzły siatki obliczeniowej modelu i wykorzystywane w procesie prognozy polegającym na rozwiązywaniu cząstkowych równań różniczkowych fizyki atmosfery. Efektem jest 60-godzinna krótkoterminowa prognoza pogody widoczna w postaci map i wykresów.

Jednak bez obaw – osoby odwiedzające stronę ICM nie są zdane same na siebie w interpretowaniu przedstawionych danych. Codziennie rano zamieszczany jest krótki komentarz synoptyka.

Udział w prognozowaniu mają nie tylko naukowcy, ale także przyszli adepci meteorologii, w tym studenci geofizyki UW, którzy pracują nad ulepszaniem modelu.

"Staramy się wspólnie ze studentami rozwijać parametryzację niektórych procesów fizycznych, asymilację danych lub część dynamiczną modelu. Tak też konstruujemy np. tematy prac magisterskich i prac badawczych" - tłumaczy dr Jakubiak.

Obecnie realizowana jest praca, której celem jest  wykorzystanie tzw. wskaźnika zieloności podłoża. Jest on mierzony przez satelity. "Tę wartość można wykorzystać w modelu do lepszej parametryzacji procesów fizycznych zachodzących na powierzchni ziemi" - tłumaczy naukowiec.

WSPÓŁPRACA MIĘDZYNARODOWA

Umiejętności skuteczniejszego niż dotąd prognozowania pogody metodą numeryczną służy także intensywna współpraca z naukowcami z zagranicznych ośrodków naukowych.

Ważnym partnerem jest Amerykańskie Laboratorium Marynarki Wojennej - Naval Research Laboratory, z którym ICM współpracuje w dziedzinie rozwijania modelu prognozowania pogody COAMPS - Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System.

Model ten pozwala na uzyskiwanie prognozy pogody zarówno dla bardzo małych obszarów, jak i dużych rejonów świata. To niejako model w modelu, polegający na teleskopowym ułożeniu siatek obliczeniowych tak, by uzyskać jeszcze wiarygodniejsze prognozy.

Dzięki testowanemu przez siebie modelowi US Navy, polscy naukowcy prognozują pogodę zarówno dla Polski, jak i innych wybranych obszarów świata, np. Konga lub Azji Wschodniej. Współpracują także przy tworzeniu modelu prognozy pogody, z którego będą mogli korzystać polscy żeglarze podczas najbliższych igrzysk olimpijskich w Pekinie.

Drugi z projektów badawczych, w których uczestniczą naukowcy z ICM jest jedną z akcji Europejskiego Programu Współpracy w Dziedzinie Badań Naukowo-Technicznych COST - European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research.

„Nasza Akcja COST 731 ma za zadanie rozwój metod umożliwiających efektywne uwzględnienie błędów zawartych w obserwacjach, w algorytmach prognozy i uproszczeniach umożliwiających policzenie prognozy w rozsądnym czasie. Jest to współpraca 20 krajów europejskich. Dzięki zapewnieniu przez Brukselę środków na konferencje, możliwa jest stała wymiana pomysłów i algorytmów, korzystna dla wszystkich instytucji w niej uczestniczących" - tłumaczy dr Jakubiak.

Źródło: http://www.naukawpolsce.pl/nauka/