Numerické modely
Základní informace o tématice numerické modely. V různých sdělovacích prostředcích i mezi lidmi se hovoří o předpovědních modelech či jinými slovy o numerických modelech pro předpověď počasí. Data z nich využívají dnes různé stránky na internetu, všechny meteorologické organizace a v posledních letech i mobilní aplikace, které vám zobrazí předpověď počasí a související informace klidně i v lese nebo u vody.
Jak numerický model pracuje? S čím pracuje? Jaké modely existují? Kdo daný model provozuje? Co konkrétní model předpovídá? Odpovědi na tyto a další otázky, které vás mohou jako uživatele dat získaných z numerických modelů zajímat, obsahuje tato stránka.
Anglické názvy: Numerical model (numerický model), numerical weather forecast (numerická předpověď počasí), meteorological data (meteorologická data), model output (modelový výstup), global model (globální model), regional model (regionální model).
Prezentace k tématu: METEOROLOGIE 22
Na této stránce najdete následující informace:
- Numerické modely a jejich definice
- Numerické modely a princip fungování (od sběru dat po výslednou předpověď)
- Základní druhy numerických modelů
- Stručný popis vybraných numerických modelů
NUMERICKÉ MODELY A JEJICH DRUHY
Počítač numerického modelu Aladin
Co je to numerický model?
Pod pojmem model v meteorologii a klimatologii si představme výkonnou výpočetní techniky. Není to tedy nic jiného než počítač, který je provozován a spravován vždy nějakou meteorologickou organizací či institucí. Je neustále zdokonalován, tedy vyvíjen. Nástup výpočetní techniky umožnil tedy úplně jiný rozměr prognóz a nástup internetu proces prognóz urychlil a tím zpřesnil. Proč? To vyplývá z dalšího textu na stránce.
Jak fungují numerické modely, aneb cesta od sběru dat k produkci výsledné prognózy
Numerický model částečně supluje práci meteorologa, ale nikdy ji nemůže zcela nahradit. Numerický model spočítá mnoho milionů dat za extrémně krátkou dobu, na což lidský mozek v žádném případě nestačí. Ale zajisté i modely dělají chyby a ty může podchytit a opravit právě zkušený a bystrý meteorolog prognostik. S modelem přicházejí vždy i chybné výsledky a meteorolog před výslednou prognózou uváží, zda jsou dané výsledky možné, zda jsou reálné a rozhodne, ke kterému modelu nebo ke kterým modelů se spíše přikloní a tak výslednou předpověď zpracuje. Nutno tedy konstatovat, že holé výsledky z předpovědních modelů s sebou přinášejí jisté chyby a to i specifické chyby při určitých meteorologických situacích (např. předpověď mlh nebo lokálních bouřek).
Sběr meteorologických dat
Do numerického modelu vstupují naměřená data na různých stanovištích po celém Světě (tzv. výchozí podmínky modelu). Pro kvalitní předpověď nutno třeba sledovat počasí na mnoha místech neustále a pokrýt tak nejen veškerý čas během dne, ale také pokrýt co nejvíce dané území. Meteorologická data jsou měřena či některá pozorována na pozemních stanicích různých druhů (observatoře, letištní stanice, dobrovolné stanice aj.), na mořích a oceánech, ale i ve vyšších hladinách atmosféry pomocí radiosond. Tato data jsou zasílána do meteorologických center, kde jsou tříděna a vyhodnocována. Sběr dat je tedy jedním z nejdůležitějších a dosti náročných úkolů meteorologů a klimatologů. Jde o základní podklad pro následné předpovědi počasí. Numerické modely vycházejí z těchto podmínek za určitý čas (např. za uplynulý týden) a tato data následně vyhodnocují.
Zpracování dat a výpočet předpovědi
Data slouží v centrech jako vstup do numerických modelů, které následně vypočítají předpověď počasí na základě mnoha složitých matematických operacích (miliony matematických vzorců) týkajících se zejména dynamiky a termodynamiky atmosféry, fyziky oblaků a srážek a obdobných atmosférických disciplín. Data jsou zasílána na dálku s využitím internetu, který významně zrychluje jejich sběr i zpracování a též výpočet a dodání výsledků, včetně různých podob těchto výstupů. Tyto výsledky, které numerické modely podávají se nazývají výstupy.
Modely pracují v určitých časech (uváděno vždy v čase světovém UTC) a to v časech 00, 06, 12 a 18 UTC, některé z nich počítají předpověď jen ve dvou těchto termínech (v 00 a 12 UTC). Model je spuštěn tedy například v 00 UTC a výpočet předpovědi počasí na danou dobu dopředu trvá zhruba 5-6 hodin, tedy do dalšího spuštění modelu. V tuto dobu jsou výsledky, tedy samotná předpověď počasí či spíše předpovědní data, k dispozici. Zdá se to možná dlouho, ale pokud by veškeré operace měl počítat méně výkonný počítač, tak by předpověď již nemělo smysl počítat.
To protože by už dávno počasí v daném čase na který by zněla probíhalo. A nemluvě o tom, kdyby tyto operace měl čistě teoreticky počítat sám meteorolog, tedy člověk. Každý model se ovšem potýká s chybami při určitých situacích pro určitá místa a s tím je nutné vždy počítat. Nikdy nebudou numerické modely 100% přesné, byť je snaha vyvíjet neustále úspěšnější, tedy přesnější, modely. Numerických model pracuje v bodech, které nazýváme jako gridové body. čím hustší síť bodů má model definovaných na daném území, tím je přesnější. Hovoříme zde o rozlišení modelu.
Modelové výstupy a výsledná předpověď
Numerické modely podávají základní dva druhy výstupů. Tyto zpracovávají grafické programy daných modelů a prezentují v podobě map nebo grafů. Hovoříme tedy o předpovědních mapách různých meteorologických prvků pro určité území (stát či širší územní celek) nebo o meteogramech, tedy o grafech s předpovědí základních prvků pro konkrétní místo (např. město, obec).
Data z výstupů numerických modelů jsou přebírána různými organizacemi a dnes jsou hojně prezentována v podobě map a grafů s vlastní grafickou úpravou na mnohých stránkách. Meteorolog má k dispozici bohatý panel s několika druhy modelových výstupů a podle nich sestavuje prognózu s tím, že přihlíží dle svých znalostí a zkušeností z oboru či případně praktických zkušeností ohledně počasí a klimatu dané oblasti, v níž působí či pro níž předpověď sestavuje, k různým faktorům a opravuje tak případné nedostatky či chyby numerických modelů. Meteorolog vybere pro danou situaci modely, ke kterým přihlédne při sestavování prognózy. Pokud se modely značně neshodují, sestaví předpověď v podobě tzv. kompromisu.
Příklad předpovědi srážek
Model A předpokládá srážkovou činnost pro danou oblast s úhrny 5-20mm za den, v jižní části až 40mm za den. B předpokládá srážkovou činnost s úhrny 3-10mm, v jižní části 30mm. C předpokládá srážkovou činnost s úhrny 3-15mm, v jižní a jihozápadní části až 40mm. D předpokládá srážkovou činnost s úhrny 1-10mm, v jižní a jihozápadní části až 25mm. E předpokládá srážkovou činnost s úhrny 10-50mm, místy, zejména na jihu až 80mm. V takovém případě meteorolog vybere převažující modely se shodou. Určitě vyloučí dle situace a znalostí model E, který je navíc například známý tím, že srážky nadhodnocuje. Model D naopak srážky trochu podceňuje, což je o něm například také docela známo. Přihlédne tedy k ostatním a srážky uvede například v takovéto podobě: “Srážkové úhrny 3 až 20mm, místy, zejména na jihu a jihozápadě až 40mm.
Modely se občas neshodují
K situacím, že se modely značně neshodují občas dochází. Z pohledu našeho území jde zejména o situace lokální konvekce při vlivu brázdy nízkého tlaku vzduchu nebo oblasti nízkého tlaku vzduchu s přílivem vlhkosti či nevýrazné tlakové oblasti, dále situace při přechodu cyklony přes naše území a situace při přechodu vlnící se studené fronty. Při přechodech běžných front se modely na srážkách shodují poměrně dobře a předpověď není tak obtížné sestavit.
Od sběru dat (tedy od jejich měření) až po výslednou předpověď jako velká “cesta” a ta bývá často poměrně trnitá. Na delší dobu dopředu se modely neshodují často a to ani konkrétní model v jeho několika bězích (výstupech). Opět si uveďme příklad.
Nejistota při přechodu fronty
Model započne ve výstupu z 00 UTC předpokládat teploty na 6. den od data předpovědi na daném území v rozmezí 26 až 30°C, ve výstupu z 06 UTC půjde o teploty 20 až 25°C, na JV/V až 30°C. Ve výstupu z 12 UTC bude předpokládat teploty 19 až 23°C a ve výstupu z 18 UTC teploty 19 až 24°C, na V 27°C a na samotném JV území až 31°C.
Výše uvedený případ je způsoben nejistotou postupu studené fronty, která se začne nad daným územím patrně vlnit a modely mají problém takto dopředu (a to i na kratší dobu dopředu) odhadnout, zda se bude dané území v konkrétní den nacházet zcela před frontou, částečně za frontou či zda bude fronta během dne přecházet nebo již zcela za frontou s přílivem chladného vzduchu. Meteorolog nemá snadné rozhodování, neboť se mohou podmínek během dalších hodin opět změnit a modely se mohou shodovat na jiné situaci než před tím. Proto se mohou někdy předpovědi počasí měnit značněji i během dne.
Dělení modelů a základní dnes počítané numerické modely
Numerické modely dělíme základně na modely globální a regionální, dále pak na modely klimatické a meteorologické. Globální modely jsou počítány zpravidla pro větší územní celky (kontinenty) nebo přímo pro celý Svět a zobrazují obecnější prognózy počasí. Regionální modely jsou již podle názvu zaměřeny na konkrétní menší území, zpravidla na území jednoho státu nebo skupiny států. Modely meteorologické předpovídají prvky počasí den po dni, na nejbližší dny jde o předpověď podrobnější. Klimatické modely předpovídají základní meteorologické prvky (zpravidla teploty a srážky) a jejich odchylky od dlouhodobého normálu pro delší období jako celek (sezónní prognózy).
Jaké jsou nejznámější a nejvyužívanější numerické modely, jejichž výsledky jsou běžně dostupné i na internetu, v dnešní době? Na to odpoví další řádky tohoto odstavce. Určitě znáte model GFS, ECMWF, nepochybně i Aladin a Medard, s jejichž výstupy pracují dnešní moderní mobilní aplikace. Existuje ale nesčetné množství dalších modelů, klimatických i meteorologických.
Globální numerické modely
Jak bylo řečeno výše, globální numerické modely počítají předpověď pro velká území a nepřinášejí pro konkrétní území nijak detailní prognózy. Některé numerické modely počítají počasí pro celý Svět. Mezi globální numerické modely patří zejména model GFS, CFS, ECWMF, GEM, ARPEGE, HIRLAM a mnohé další. Pokud vám nic neříkají zkratky některých modelů či ani jednoho, tak jejich význam objasní další text věnovaný krátce každému ze základních modelů.
Model GFS (Global Forecast System, Globální Předpovědní Systém)
Model provozuje NCEP (National Centers for Environmental Prediction) a pracuje s obrovským množstvím dat, ze kterých vypočítává předpověď různých prvků pro celou Zemi. Jde o teplotu vzduchu v různých hladinách atmosféry, teplotu rosného bodu, srážkovou činnost včetně sněhových srážek a sněhové pokrývky, tlaku vzduchu, větru a jeho nárazů, vlhkost v půdě, stav ozónu a mnohé další. Model pracuje v síti s horizontálním rozlišením gridových bodů 28 kilometrů.
Model CFS (Climate Forecast System, Klimatický Předpovědní Systém)
Sestavilo a provozuje ho několik desítek vědců v rámci NCEP. Tento model nabízí střednědobou a i dlouhodobou předpověď mnoha prvků v hodinovém kroku pro celý Svět. Model pracuje s rozlišením 56km kolem Země. Používá nejnovější vědecké postupy pro příjem naměřených dat z různých zdrojů (balóny, povrchová měření, satelity, letadla aj.). Model též nabízí klimatickou předpověď odchylek teplot a srážek od normálu pro následující měsíce a ucelená tříměsíční období. Vzhledem k tomu, že model předpovídá na velmi dlouho dopředu je nutné i s přihlédnutím ke kvalitě počítat s tím, že úspěšnost prognóz bude nižší.
Model ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecast, Evropské Centrum pro Střednědobou Předpověď)
Další velmi známý model pro předpověď základních meteorologických prvků na další dny (15 dní). Předpovídá základní meteorologické prvky jako jsou teplota v hladině 850hPa, tlakové pole a další. Tento aktualizuje své výstupy dvakrát denně.
Model ARPEGE
Model francouzské meteorologické organizace Meteo France. Aktualizace jeho výstupů probíhá čtyřikrát denně, kromě výstupu z 06 UTC předpovídá na 102 hodin dopředu, v případě uvedeného výstupu jen na 72 hodin. Model předpovídá základní meteorologické prvky, pro Spojené Království předpovídá i některé další prvky.
Model ICON (Icosahedrical Nonhydrostatic)
Německý model provozovaný německou meteorologickou organizací (DWD – Deutscher Wetterdienst). Předpovídá pro Evropu, střední Evropu a další detailnější lokality do 180 hodin dopředu, v případě některých výstupů pro určité regiony na 120 hodin. DWD jako jedna z mála meteorologických služeb provozuje model na bázi globální (NWP), který není omezen plochou (zpravidla jednoho státu). Modelu předcházel model GME, který zahájil provoz roku 1999.
Model JMA (Japan Meteorological Agency, Japonský Meteorologický Úřad)
Model japonské meteorologické služby (stejnojmenně JMA), který předpovídá základní meteorologické prvky na několik dní dopředu pro Evropu či v detailu její určité oblasti a též pro Severní Ameriku. Předpovídá teplotu vzduchu ve 2 metrech, v 850 hPa, vítr v 10m 300hPa a v 850hPa a též srážky včetně jejich akumulace. Model JMA byl dříve nazýván jako GSM (Global Spectral Model) sloužící pro denní předpověď, týdenní předpovědi (do 11 dnů) a informace o tropických cyklonách.
Model GEM (Global Environmental Multiscale Model, Globální Environmentální Asimilační Model)
Jde o integrovaný prognostický a datový asimilační systém, který se vyvíjí v RPN (Recherche en Prévision Numérique v oddělení meteorologického výzkumu a v kanadském meteorologickém centru (CMC). Společně se systémem NWS (model GFS, viz výše) s předpovědí až na 16 dní. Společně s tímto modelem jde o integrovaný prognostický systém (IFM) Evropského centra pro střednědobé předpovědi (ECMWF) s předpovědí na 10 dní dopředu. Jde o jeden z pěti celoplošných modelů se synoptickým měřítkem.
Regionální numerické modely
Regionálními modely rozumíme ty, které jsou počítány pro užší území. Tyto dokáží v hustší síti bodů popsat podmínky a následně vyhodnotit vývoj počasí v konkrétní oblasti podrobněji a tedy přesněji.
Model Aladin (Aire Limitée Adaptation Dynamique Development International)
Tento model typicky regionální, který využívá mimo jiné náš stát a provozovatelem je ČHMÚ (Český Hydrometeorologický Ústav) a dále Slovensko prostřednictvím SHMÚ (Slovenský Hydrometeorologický Ústav). Model Aladin předpovídá pro omezené území základní meteorologické prvky jako je teplota vzduchu, srážky, vítr a oblačnost. V posledních letech se model zdokonaloval a předpovídá i některé vedlejší prvky. Též byly jeho výstupy v nedávné době rozšířeny o další předpovědní termíny a předpovědní mapy jsou tak dostupné po 3 hodinách.
Model MEDARD (Meteorological nad Environmental Data Assimilating system for Regional Domains)
Je model pro krátkodobou předpověď základních prvků na omezeném území. Model používá numerický model MM5 s konfigurací pro ČR. Rozlišení modelu je pro střední Evropu 27km, pro území ČR 9km. Model předpovídá na 3 dny dopředu v intervalu 1-2 hodin. Frekvence jeho aktualizace je tedy opravdu četná a výstupy jsou v podobě statických map i jednoduchých animací.
Model COSMO (Consortium for Small-scale Modelling, Společnost pro Předpovědi na malém území)
Model byl vyvinut v roce 1998 a provozuje ho německá meteorologická služba DWD (Deutscher Wetterdienst). Tento model předpovídá různé meteorologické prvky pro omezené území, například pro Německo a okolí a několik málo dní dopředu. Oproti jiným modelům se liší v tom, že jeho výstupy (aktualizace) jsou prováděny v tříhodinovém taktu a nikoli v šestihodinovém. Takže výstupy modelu jsou v 00, 03, 06, 09 UTC atd.
Model WRF/NNM (Weather Research nad Forecasting Model/Nonhydrostatic Mesoscale Model, Výzkumný a Předpovědní Model Počasí)
Model předpovídá ve čtyřech denních výstupech na 72 hodin dopředu. Počítá se nyní na rozloze 5km. Model slouží provozním prognózám i pro potřeby atmosférického výzkumu. Nabízí mnoho aplikací v různých měřítkách (až do tisíců kilometrů). Rozvíjí se ve spolupráci několika center a to NCAR (National Center for Atmospheric Research), NOAA (National Oceanic nad Atmospheric Administration) prostřednictvím NCEP (National Centers for Environmental Prediction) a FSL (Forecast Systems Laboratory) či některých dalších. Model WRF umožňuje pracovat s reálnými údaji a tvořit skutečné prognózy, ale také smyšlené atmosférické podmínky pro výzkum.
Model HIRLAM (High Resolution Limited Area Model)
Provozuje se ve spolupráci s několika meteorologickými institucemi a to například DMI – dánskou službou, FMI – finskou službou, ME – irskou službou, MET – norskou službou, AEMET – španělskou službou, SHMI – švédskou službou a některými dalšími. Cílem programu HIRLAM je vývoj a udržení numerického systému pro předpověď počasí pro menší území s využitím pro zúčastněné státy. Tato spolupráce vývoje programu začala roku 1985 a obsahuje několik projektů a programů. Výsledek spolupráce spočívá ve spuštění NWP (Numerical Weather Prediction) v podobě předpovědního systému HIRLAM s využitím pro předpovědi počasí na 3 dny. Kdy model pracuje v síti 3 až 16km. Důležitým krokem byl v roce 2006 začátek vývoje měřícího systému meteorologických předpovědí (HARMONIE) v tzv. mezistěně v úzké spolupráci s ALADIN (vede francouzská meteoslužba Meteo France) a ECMWF.
Název modelu je vždy zkratkou daného systému numerického modelu (např. CFS nebo GEM) či případně meteorologické organizace, která ho provozuje (např. ECMWF či JMA). Uvádí se tedy vždy velkými tiskacími písmeny. Někdy je zkratka složena z mnoha poměrně složitých slov (např. u modelu Aladin nebo HIRLAM).
Stránky poskytující výstupy numerických modelů
Pro zjišťování předpovědi počasí přímo z podkladů numerických modelů doporučujeme následující stránky (převážně jsou v němčině nebo angličtině) s různým zpracováním (grafickým) modelových výstupů a nabídkou předpovědních prvků či rozsahu prognózy: