Hvað þarf til að spá í veðrið?
Landgerð og gervitungl gefa Veðurstofunni áreiðanlegri skammtíma veðurspár
Höfundar: Sigurður Þorsteinsson,
Bolli Pálmason, Guðrún Nína Petersen og Halldór Björnsson
Nútíma veðurspár
Veðrið myndar fjölbreytt og
flókið kerfi. Aðalþættir þess eru hegðun vinda, hita, vatnsgufu, skýja og úrkomu,
auk áhrifa yfirborðs hafs og lands. Til að hægt sé að gera áreiðanlega veðurspá verður
fyrst að safna upplýsingum um veðrið eins og það er á hverjum tíma og þá eru það fyrst og
fremst fjórar breytur sem eru mældar: Hiti, vindhraði, loftþrýstingur og rakastig.
Mæligildin, t.d. fyrir hita, loftþrýsting og vindhraða eru sett í tölvulíkan sem skiptir veðrahvolfinu, sem nær frá yfirborði jarðar upp í 10 til 17 km hæð, í þrívítt reikninet og liggur yfir því svæði sem skal spá fyrir eins og sést á mynd 1. Fáanleg mæligildi eru aðeins lítið brot af öllum þeim inntaksgildum sem þarf fyrir útreikninga en það sem á vantar er sótt í áætlanir og fyrri spár. Á Veðurstofu Íslands er notast við spálíkanið HARMONIE-AROME (Harmonie) sem er þróað, viðhaldið og sannprófað í samstarfi 26 þjóða í Evrópu og Norður-Afríku. Líkanið er skammtímaspálíkan, keyrt fyrir skilgreind, afmörkuð svæði á hnettinum, t.d. Ísland, Grænland og hafsvæðin í kring.
MYND 1. Veðurathuganir frá jörð og háloftum gefa ásamt gervitunglamælingum
núverandi veðurupplýsingar. Mynd fengin frá Dagens Nyheter, Svíþjóð.
Í líkaninu er veðrahvolfinu
skipt í 65 reiknifleti á hæðina og styttra er milli flata nær jörðu þar sem veðurvirknin
er meiri. Lárétt eru að jafnaði 2,5 km á milli reiknipunkta. Yfirborðslíkan
líkir eftir samskiptum lofthjúpsins við yfirborðið. Fjórar
megingerðir yfirborðs eru sjór, náttúra, vötn og borg/bær. Náttúrunni er skipt
upp í 12 landgerðir, s.s. auða jörð, skóg, ræktað land o.s.frv. Landgerð hvers
reits í yfirborðslíkaninu er svo samsett hlutfallslega af mismunandi landgerðstegundum
sem finnast innan hvers reiknireits. Yfirborðs landgerðirnar hafa áhrif á veðrið
á mismunandi hátt. Mikil vinna hefur átt sér stað á Veðurstofu Íslands við að bæta
landgerðarupplýsingar inn í líkaninu á síðustu árum. Byggt var á gagnagrunnum
Landbúnaðarháskólans og Landmælinga, en einnig voru afurðir úr MODIS tæki
gervitungla NASA notaðar.
Það er ekki bara líkan af lofthjúpnum. Í yfirborðslíkani Harmonie, SURFEX, er líkt eftir ýmsum ferlum við yfirborð og í jarðvegi sem hafa áhrif á veðrið, s.s. fyrir náttúrulegt yfirborð, þéttbýlissvæði, stöðuvötn og haf til að fá sem réttast samspil lofthjúps og yfirborðs, sjá mynd 2. Í þessu yfirborðslíkani er líka líkt eftir veðurfræðilegum þáttum, s.s. hita og raka í 2 m hæð og vindhraða í 10 m hæð.
MYND 2. Ferlar við yfirborð sem SURFEX líkanið hermir. Mynd fengin af vefsíðu SURFEX .
Allar nákvæmar veðurspár byggjast á sömu grunnhugmynd: Eðlisfræðilögmál sem stjórna hreyfingum og orkuskiptum andrúmsloftsins eru sett fram sem stærðfræðijöfnur og mynda þannig veðurspálíkan. Með tölvu er fundið sem nákvæmast ástand lofthjúpsins á því augnabliki sem reikningar veðurlíkansins eiga að hefjast. Til þess eru notaðar veðurathuganir frá jörð sem og háloftaathuganir úr veðra- og heiðhvolfinu og gervitunglagögn. Þetta ástand kallast upphafsgreining. Síðan reiknar tölvan út úr líkingunum breytingarnar frá þessu upphafsástandi, þrep fyrir þrep, eins langt fram í tímann og stefnt er að. Séu stórar eyður í veðurathugunum á einhverjum svæðum verða upphafsgildi líkansins meira og minna röng og spáin ónákvæm eftir því. Út frá niðurstöðum reikninganna fæst nánari spár um veðrið sjáft. Síðan eru útreikningar síðustu keyrslu með ákveðnu klukkastunda millibili notaðir og ný mæligildi tekin inn á því augnabliki til að gera nýjar upphafsgreiningar og leiðrétta útreikninga líkansins.
Þegar tölvur komu fram á sjónarsviðið á sjötta áratugnum voru veðurfræðingar vongóðir um að hægt yrði að reikna út hvernig veðrið myndi þróast mánuði fram í tímann. Þær vonir brugðust. Vandamálið er það að veðrið hefur áhrif á þá krafta sem svo stjórna veðrinu. Stærðfræðilega þýðir þetta að jöfnurnar er ekki hægt að leysa nákvæmlega. Í veðrinu ríkir ringulreið. Lítil villa getur fljótt margfaldast þegar tölvan reiknar sig inn í framtíðina. Það þýðir að allir útreikningar fara úr skorðum fyrr eða síðar. Hvernig svo sem veðurfræðingar reyna, koma þeir varla til með að geta spáð fyrir um breytingar á veðri frá degi til dags lengur en u.þ.b. tvær vikur fram í tímann.
Svæðisbundnar spár gefa nákvæmari mynd af veðrinu
Reiknimiðstöð evrópskra veðurstöðva (ECMWF), staðsett í Reading á Englandi sendir tvisvar á sólarhring frá sér spá sem reiknuð er í neti með 9 km möskvastærð, 10 sólarhringa fram í tímann. Spárnar byggja á veðurspálíkani sem inniheldur lofthjúp allrar jarðarinnar og myndar grunninn fyrir allar íslenskar þriggja til tíu daga spár. Evrópska spáin er áreiðanleg fyrstu 5-6 dagana og minna áreiðanleg eftir það og fleiri og betri athuganir frá gervitunglum hafa stuðlað að því að bæta spárnar lengra fram í tímann. Veðurfræðingar í Reading hafa einnig spáð fyrir um hvernig veðurspárnar komi til með að batna. Markmið þeirra er að lengja áreiðanlega hluta spárinnar um einn sólarhring á næstu 10 árum. Spár Veðurstofu Íslands eru líka byggðar á safnspám ECMWF . Á síðari árum hafa hraðvirkari tölvur gert kleift að vinna margar samhliða spár fyrir sama tímabil. Ef 50 spár með svolítið mismunandi byrjunargildum segja allar að það eigi að verða heiðskírt t.d. á fimmta degi, þá er mikil vissa í spánum um að svo verði. Ef helmingur spáir sólskini og helmingurinn spáir þungbúnu veðri er allt í óvissu.
Fyrir svæðisbundna skammtímaspá nægir reiknilíkan sem tekur bara með lofthjúpinn innan þess landsvæðis sem áhugi er á. Líkanið þarf spá um þróun veðursins á jöðrum reiknisvæðisins. Harmonie líkan Veðurstofunnar nýtir 9 km spá ECMWF til þessa. Þannig er hægt að nota reiknigetu tölvunnar í líkan með hærri upplausn til að skapa nákvæmari mynd af veðrinu á Íslandi og á hafsvæðinu umhverfis fjórum sinnum á hverjum sólarhring, 66 klst. fram í tímann. Í þremur uppsetningum á Harmonie líkönum Veðurstofu Íslands, tveimur með 2,5 km og einni tilraunakeyrslu með 750 m möskvastærð, skila áhrif frá gervitunglum sem notuð eru í ECMWF líkanið sér inn í upphafsgreiningu Harmonie til að bæta þessar spár. Sameiginleg Harmonie-keyrsla fyrir Ísland og Grænland er samstarf við Dönsku veðurstofuna. Hún notar flóknari upphafsgreiningu og þá eru gervitunglagögn ásamt fleiri gögnum lesin beint inn. Spár úr þessari keyrslu eru birtar á vef Veðurstofu Íslands. Ólíkt grófara hnattræna ECMWF líkaninu eru í Harmonie reiknuð beint ýmis ferli sem hafa áhrif á þróun skýja og úrkomu. Einnig eru áhrif landslags á vindafar betur hermd, svo sem vindhviður við fjöll.
Landgerð og gervitungl gefa Veðurstofunni áreiðanlegri skammtíma veðurspár
Enginn vafi er á því að umhverfis Ísland er fjörlegri lægðarþróun en þekkist víðast hvar annars staðar. Veðurspálíkön eru mikilvægustu hjálpargögn veðurfræðinga til að meta hættu af náttúruhamförum er tengjast veðri. Spár frá Harmonie líkönunum hafa aukið nákvæmni veðurspáa fyrir allar árstíðir. Allra mikilvægast er að þau hafa sýnt sig að vera fær um að lýsa gerð illviðra síðustu ára í smáatriðum á hverju þróunarstigi. Spárnar hafa verið grundvöllur fyrir þeim nákvæmu veðurviðvörunum sem Veðurstofan hefur gefið út. Líkönin sýna að með því að nota svona þétt net reiknipunkta, reikna beint ýmsa eðlifræðilega ferla, og nota nýjustu og nákvæmustu landgerðar- og gervitunglaupplýsingar til að fá góð upphafsgildi og bæta spár í lofti og við yfirborð eykst geta líkananna til að spá fyrir um veður. Með aukinni þróun á Harmonie líkaninu vonumst við til að veðurspárnar batni enn frekar þegar fram í sækir.
