Modele numeryczne

Jednym z podstawowych narzędzi używanych w dzisiejszej meteorologii do prognozowania procesów w  atmosferze w różnych miejscach świata, a więc mówiąc krótko – prognozowania pogody – są modele numeryczne. Dzięki pracy najnowocześniejszych komputerów posiadających olbrzymią moc obliczeniową możliwe jest obliczenie różnych parametrów, którymi będzie się  charakteryzować  atmosfera w danym momencie oraz w danym miejscu świata. Z każdym rokiem modele numeryczne są coraz bardziej udoskonalane, dzięki czemu prognozy sprawdzają się na coraz dłuższy okres czasowy i są coraz bardziej dokładniejsze.

Nie oznacza to jednak tego, że prognoza modelu numerycznego nawet na kilkanaście godzin naprzód jest wolna od jakichkolwiek błędów – te się co jakiś czas zdarzają i bywają zaskakująco duże.  Szczególnie problematyczne wydaje się prognozowanie zjawisk konwekcyjnych.  Dlatego prognozy numeryczne trzeba czasami zweryfikować na podstawie własnego doświadczenia i danych pomiarowych ze stacji meteorologicznych – tylko w taki sposób możemy dość  trafnie przewidzieć stan atmosfery w danym miejscu i o danym czasie.

Model numeryczny jest w zasadzie zwykłym programem komputerowym. Program oblicza prognozę w sposób dyskretny, tzn. obszar przestrzenny jest podzielony na obszary (oczka) dla których wykonuje się obliczenia. Prognoza pogody jest zbiorem zwykle kwadratów (tzw. oczek) odniesionych na powierzchnię terenu o określonej wielkości.

Aby wyznaczyć prognozę pogody na początku niezbędne są tzw. warunki brzegowe. W tym celu pobierane są wszystkie niezbędne pomiary synoptyczne, m. in.: dane radiosondażowe (z balonów meteorologicznych), naziemnych posterunków pomiarowych, radarowych danych opadowych a także ostatnio dane z satelitów meteorologicznych. Wprowadzone dane wcześniej są uzgadniane, tzn. weryfikuje się ich wiarygodność, czyli usuwa się dane z błędami. Na tej podstawie jest możliwa analiza aktualnej sytuacji meteorologicznej przez model numeryczny. Taka analiza nigdy nie jest w pełni dokładna, bowiem nie jest możliwe wykonanie dokładnych pomiarów (np. na oceanach czy na terenach niezamieszkałych). Dalsze postępowanie zależy od typu modelu numerycznego. Modele numeryczne generalnie dzieli się na dwa typy: modele globalne oraz modele regionalne.

Modele globalne na bazie danych pomiarowych tworzą prognozę dla całej kuli ziemskiej, możliwe jest więc wyznaczenie prognozy dla dowolnego miejsca na Ziemi. Modele globalne nie są zbyt dokładne. Wymiar oczka modelu wynosi od około 25 do 60 km. Oznacza to, że model w rejonie kwadratu o boku 25 km x 25 km wyznacza stałą prognozę (na całym obszarze). Powoduje, to występowanie istotnych błędów w strefach gdzie warunki terenowe są bardzo zróżnicowane. Największe problemy występują w górach, gdzie model numeryczny „wypłaszcza” szczyty gór i wzniesień (np. dla modelu globalnego GFS wysokość Tatr to około 1450 m.n.p.m. a nie ponad 2 km). Efektem tego błędu jest niedoszacowanie opadów w górach, szybkości wiatru (np. halnego) oraz niewłaściwe dane temperatury powietrza. Kolejny problem występuje w strefach brzegów morza. Tutaj jeżeli strefa ląd – morze znajduje się środku oczka modelu, cały obszar oczka jest uśredniony, co skutkuje także błędnymi prognozami. Na terenie lądu o mało urozmaiconym ukształtowaniu lub otwartego morza prognozy są znacznie dokładniejsze. Analiza danych modelu globalnego służy tak naprawdę do analiz średnioterminowych prognoz, także dlatego, że prognozy są stosunkowo daleko rozciągnięte w czasie. Maksymalne czasy prognoz modeli globalnych często przekraczają 200 godzin. Jednakże w naszej strefie klimatycznej maksymalny czas realności prognoz to 5-6 dni, czyli 120-144 godzin. Sensownie jest więc analizować prognozy modeli globalnych powyżej 2-3 dni prognozy w przyszłość. Zwykle modele globalne parametryzują zjawiska konwekcyjne. Oznacza to, że model rozdziela zjawiska mezoskalowe od konwekcyjnych, dzięki temu można rozdzielić prognozę opadu konwekcyjnego od mezoskalowego. Zjawiska konwekcyjne prognozowane są bez sprzężenia zwrotnego, czyli np. na prognozę burz nie mają wpływu już wcześniej powstające burze (nie jest np. analizowany efekt spływające prądu zstępującego lub opadu deszczu). Powoduje to znaczny stopień uogólnienia, jednakże stosunkowo małe jest ryzyko znacznego błędu prognozy.

Modele regionalne wykonują swoje obliczenia na bazie danych brzegowych z modeli globalnych. Zakres prognozy jest ograniczony do znacznie mniejszego obszaru. Maksymalny czas prognozy zwykle nie przekracza 72 godzin. Dzięki temu jest możliwe wykonywanie prognoz znacznie dokładniejszych, wielkość oczka siatki modelu zwykle wynosi między 1 km – 5 km. Możliwe jest wyznaczanie prognoz w strefach, gdzie modele globalne nie są zbyt mało dokładne. Możliwe jest modelowanie szczegółowe zjawisk konwekcyjnych (odbiciowość radarowa, rozkład wiatru z chmur burzowych) wraz ze sprzężeniem zwrotnym. Zjawiska konwekcyjne często nie są rozdzielane od mezoskalowych. Możliwa jest analiza każdego etapu rozwoju konwekcji co daje szanse na wyciągnięcie lepszych wniosków. Należy jednak pamiętać, że ryzyko popełnienia błędu w prognozie jest czasami dość wysokie. Modele numeryczne bardzo dobrze modelują zachowanie się zjawisk lokalnych (wiatr halny, bryza). Możliwe jest wyznaczanie prognozy dla półwyspów, czy łańcuchów górskich.

Obecnie w internecie dostępnych jest kilkadziesiąt modeli numerycznych, z których znaczna część dostępna jest po opłaceniu dość dużej ilości pieniędzy. Jest jednak wiele modeli, które można sprawdzić  w internecie w każdej chwili, nie płacąc za to ani grosza. Oto kilka stron, które umożliwiają nam prognozowanie pogody na terenie Polski przy użyciu prognoz numerycznych:

• Modele numeryczne – Meteomodel.pl – Polska strona internetowa, na której można znaleźć prognozy  globalnych modeli numerycznych: GFS, ECMWF, GEM, NOGAPS, a także modelu WRF-EMS o wysokiej rozdzielczości. Na stronie znajdują się także wizualizacje serii pomiarowych ze stacji meteorologicznych oraz z danych satelitarnych.
• Prognoza numeryczna ICM – Numeryczna prognoza modelu UMPL o wysokiej rozdzielczości na okres 60 godzin, numeryczna prognoza modelu COAMPS, meteogramy, komentarz synoptyka do obecnej sytuacji synoptycznej w Europie. Na stronie znajdziemy tzw. meteogramy – wykresy zmian parametrów meteorologicznym w danym miejscu w ciągu całego okresu, dla którego dana aktualizacja prognozy jest ważna. Dostępna jest także wersja mobilna strony.
• www.meteoprognoza.pl – zbiór regionalnych modeli numerycznych EMS (WRF) na bazie globalnego modelu GFS. Prognozy dla Polski, modele o siatce: 1,75, 3km i 6km, model dla Podhala i Tatr – 1,3km, model rejonu Zatoki Gdańskiej – 0,75km. Przekroje troposfery pozwalające przestrzennie analizować zjawiska konwekcyjne. Model dla Europy 50km w celu analiz wpływu zjawisk mezoskalowych na konwekcyjne (wymuszenia). Mapy bez podkładu Google: http://www.meteoprognoza.pl/old/
• Wetterzentrale – modele globalne GFS, GEM, ECMWF, JMA, UKMO, GME, ICON, WRF dla Europy, prognoza 21 wiązek GFS, archiwum prognoz / reanalizy.
• LightningWizard i Estofex Modelmaps – prognoza modelu  GFS dotycząca wskaźników konwekcyjnych i parametrów pomagających prognozować rozwój burz. Dodatkowo na stronie Estofex Modelmaps można znaleźć mapy z danymi z bieżących obserwacji synoptycznych na stacjach meteorologicznych.
• Modellzentrale – prognozy modelu WRF-ARW o różnej rozdzielczości (punkty obliczeniowe co 12 i 30 km).
• Meteociel.fr – francuska strona internetowa prezentująca wyniki obliczeń licznych modeli numerycznych. Na stronie można znaleźć także inne informacje dotyczące pogody.
• Meteologix.com – anglojęzyczna wersja strony kachelmannwetter.com oferującej dostęp za darmo do zobrazowań wyników globalnych i regionalnych modeli numerycznych takich jak GFS, GEM, ECMWF, UKMO, SWISS, ICON i innych. Serwis udostępnia także wyniki modelowania numerycznego w trybie prognoz ultrakrótkoterminowych (nowcasting). Odnajdziemy tu bardzo dużą liczbę wskaźników meteorologicznych, w tym wskaźników używanych do prognozowania burz i groźnych zjawisk im współtowarzyszącym. Obok zobrazowań danych prognostycznych można znaleźć także wizualizacje danych z reanalizy ERA5 (rekonstrukcja warunków pogodowych w wybranym punkcie czasu i w regionie z okresu 1951-2023), oraz aktualne dane pomiarowe i z systemów teledetekcyjnych (zobrazowania radarowe i satelitarne).