Numerické modely, cíl a úspěšnost jejich práce

Když se řekne numerický model, asi si v dnešní době každý představí nějaký program pro předpověď počasí. To je správně. Numerický model je vždy výkonná výpočetní technika. Tedy počítač, který obsahuje určitý program pro splnění účelu, k němuž má sloužit. Vždy se jedná z hlediska meteorologie a klimatologie o snahu modelování počasí. Tedy odhad jeho vývoje do budoucna. Tento program včleněný do výpočetní techniky byl stejně jako samotná výpočetní technika pro práci s ním zkonstruován lidmi. Numerické modely, cíl a úspěšnost jejich práce.

V historii numerické modely, stejně tedy jako výpočetní technika, neexistovaly. Počasí se předpovídalo zejména podle jeho stavu a chování v nedávné minulosti a v přítomnosti, podle čehož se i v dnešní době hodně vychází. Předpovědi počasí měly tedy nižší úroveň i poměrně nízkou úspěšnost. S příchodem výpočetní techniky se objevily i předpovědní numerické modely, které byly v dalších letech neustále zdokonalovány.

Numerické modely, cíl a úspěšnost práce: Jak pracuje numerický model?

Každý numerický model vychází ze vstupních dat, což jsou veškerá měření počasí (a z nich získaná data) prováděná v nedávné minulosti až v přítomnosti. Na základě těchto údajů a řady matematických rovnic a vzorců, kterých jsou miliony. A které jsou extrémně složité, program (tedy model) vypočítá vývoj počasí (jeho jednotlivých prvků, např. teplota, vítr …) do budoucna. Na jak dlouho, to závisí na nastavení a možnostech každého modelu. Tyto rovnice by nebyl schopen zejména v takto extrémně krátkém čase člověk spočítat.

Zajímavou otázkou by bylo, jak dlouho by asi trvalo, než by například velmi matematicky vzdělaný člověk spočítal miliony rovnic o různých hodnotách. Dnes většina numerických modelů počítá nové údaje čtyřikrát denně. Takže pokud vezmeme denně 4 krát milion rovnic. Což je řekněme takové minimum, tak jsou to minimálně 4 miliony rovnic denně. Modelové technice to trvá cca 5-6 hodin. Dle světového času, v němž modely pracují, jsou nové výstupy sestavovány k 00, 06, 12 a 18 UTC s tím, že každý “běh” modelu. Tedy jinými slovy aktualizace výpočtu, je k dispozici s 5-6 hodinovým zpožděním. Je to hodně dlouho? Na množství operací je to dobrý výkon.

Dokonalejší výpočetní technika, přesnější numerické modely

Výpočetní technika se zdokonaluje zejména ve smyslu rychlosti výpočtu většího množství matematických operací, tzn. vypočítá více rovnic za kratší čas. Čas mezi získáním aktuálních dat a výsledkem výpočtu modelu se zkrátil zejména s příchodem internetu. Tem zkrátil přenos dat z měřících stanic do meteorologických center, která modely provozují. Dnešní výpočetní technika a tedy modely jsou skutečně velice přesné ohledně výpočtů rovnic a jejich rychlosti. I předpovědi počasí jsou na mnohem lepší úrovni než dříve. Kde je ale problém, že někdy předpověď i na kratší čas doslova nevyjde? Vyplyne z dalšího textu.

Jaká je obecná úspěšnost numerických předpovědí?

Jednoduše řečeno s přibývajícím časem, na který je předpověď počítána, úměrně klesá její úspěšnost. Ta nebude asi nikdy 100%. Nejpřesnější předpověď jsou numerické modely schopny sestavit na druhý den. O něco méně úspěšnou je předpověď na druhý až čtvrtý den. Dále jsou prognózy málo úspěšné a prognózy nad jeden týden jsou nejméně úspěšné s tím, že od 10. dne je jejich úspěšnost tak nízká, že je nemá cenu sestavovat. Úspěšnost prognóz ovšem také záleží na období a na konkrétní synoptické situaci.

Na druhý den může být prognóza hodně nejistá, pokud se očekává složitá synoptická situace v podobě špatně odhadnutelných atmosférických jevů a procesů, například přechod tlakové níže. Naopak předpověď na 5. až 7. den může být dosti přesná. Pokud se očekává dobře předpověditelná situace, například typicky stabilní tlaková výše. Nicméně každá situace má svá úskalí. I počasí v tlakové výši může být komplikovanější a tato komplikace spočívá například na podzim a v zimě ve vzniku teplotních inverzí a nastává pak problém. A to, když vznikne mlha či nízká oblačnost, jak dlouho se v dané lokalitě udrží a podobně. S tímto si modely zatím moc neumějí poradit. Podobné je to s lokální konvekcí, tedy s bouřkami či přeháňkami.

Lokalizace bouřek a rychlost změna atmosféry

Jejich lokalizace je velmi obtížná a stejně jako jejich vznik závisí na mnoha faktorech, stavu veličin zjednodušeně řečeno. Z hlediska jednotlivých prvků lze říci, že se obecně lépe předpovídá teplota vzduchu než atmosférické srážky a jejich vydatnost, rozložení a časový průběh. Srážky mají vždy nižší úspěšnost v případě předpovědi než teploty. Modely dnes ale předpovídají mnoho meteorologických prvků a poskytují produkty různého druhu. Neúspěšnost předpovědí tak vždy tkví v rychlosti změn stavu atmosféry. Na tu zatím modely úplně dostatečně nestačí reagovat. Tedy reagovat tak, aby včas tuto změnu zachytily a aplikovaly při výpočtu. Určitě jsou zde tedy rezervy, které budou určitě v rámci dalšího zdokonalování modelů vyplňovány.

Jak se numerické modely dělí?

Základní dělení modelů je na numerické modely meteorologické a modely klimatologické. Další pak na numerické modely globální a regionální. Nyní pár slov k těmto druhům. Meteorologické modely předpovídají počasí den pod dni. A to pravidla více prvků a jejich vývoj v čase ať jde o předpověď krátkodobou (na několik dní) nebo střednědobou (na týden až dva). I když lze dlouze spekulovat o její úspěšnosti. Klimatické modely se zaměřují na prognózu zpravidla odchylek základních prvků od stanoveného normálu. A to ohledně delšího časového období jako celku (zpravidla měsíce).

Numerické modely globální počítají předpověď počasí pro velké regiony. Zpravidla pro celý svět a dále se zaměřují na jednotlivé větší celky (kontinenty). A obsahují i detailnější území. Modely regionální upřesňují ve vztahu k dané menší lokalitě (zpravidla státu) předpovědi globálních modelů. Předpovídají ve větším rozlišení. Předpovědní modely vyvíjejí meteorologická centra nebo meteorologické organizace ve spolupráci s centry nebo jinými organizacemi.

Numerické modely, cíl a úspěšnost práce: Nejznámější a nejdůležitější druhy numerických modelů

Asi mnoho z vás už slyšelo nebo vidělo napsáno zkratky jako jsou Aladin, Medard, GFS, ECMWF a podobně. To jsou zkratky názvů jednotlivých předpovědních modelů. Ty se nejčastěji používají pro předpověď počasí. V poslední době je docela často v oblibě server yr.no se svým modelem. Ten je z nejasných důvodů mezi veřejnosti považován za nejpřesnější. Není tomu ovšem úplně tak, možná se lidem zamlouvá grafické zpracování výstupů modelu nebo fakt, že předpovídá pro mnoho lokalit.

Možná i to může napovědět, že nebude tak extra přesný. Přesnost modelů se totiž jako bylo uvedeno vztahuje k dané situaci. Některou situaci lépe odhadne např. modely A, C, E, jinou zas modely B, D a F. Převedeno na skutečnost, některou situaci odhadne lépe model GFS a WRF. Jinou zas model ECMWF a ARPEGE. A právě zde je stále nezastupitelná role meteorologa, aby podle svých zkušeností a znalostí s přihlédnutím k dané situaci rozhodnul. A to též se znalostí poměrů v dané lokalitě. Tento rozhodně, kterému modelu bude důvěřovat více, případně aby předpověď sestavil na základě více modelů. Těch, co se spíše shodují s pravděpodobným průběhem počasí a činil tzv. kompromis mezi některými modely a vlastními úsudky.

Základní numerické modely

Globální numerické modely jsou například:

• GFS
• ECMWF
• CFS
• ICON
• ARPEGE

Regionálními numerické modely jsou například:

• Aladin
• WRF
• HIRLAM
• COSMO

Numerických modelů existuje v dnešní době celá řada, rozhodně je z čeho vybírat. Jejich výstupy jsou zpracovány na mnoha stránkách v různé grafické podobě s různými funkcemi. V dnešním moderním světě grafiky a rychlého internetu jsou výsledky k dispozici rychle několikrát denně. Nyní ještě dovolte krátký popis základních modelů.

Numerické modely: Model GFS (Global Forecast System)

Model je provozován NCEP (National Centers for Environmental Prediction) a pracuje s obrovským množstvím dat. Z těch 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. Dále je to vlhkost v půdě, stav ozónu a mnohé další. Model pracuje v síti s horizontálním rozlišením gridových bodů 28 kilometrů. Model GFS v sobě zahrnuje 4 model: atmosférický, oceánský, půdní a mořského ledu. Modely dohromady v rámci GFS poskytují komplexní informace o chování atmosféry v dalších dnech (rozsah 16 dnů). A model je centrem neustále vyvíjen a zlepšován tak, aby bylo možno dosahovat přesnějších výsledků.

Numerické modely Model ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts)

Provozuje ECMWF, v překladu model Evropského Centra pro střednědobé předpovědi je dalším velmi známým modelem pro předpověď základních meteorologických prvků na další dny (15 dní). Model předpovídá základní meteorologické prvky jako jsou teplota v hladině 850hPa. Tlakové pole a další. Model aktualizuje své výstupy dvakrát denně.

Numerické modely: Model ICON (Icosahedral Nonhydrostatic)

Je 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). Ten není omezen plochou (zpravidla jednoho státu). Modelu předcházel model GME, který zahájil provoz roku 1999. Operační verze současného modelu ICON 2 má průměrnou plochu 173km2. Model ICON předpovídá mnoho prvků, například teplotu vzduchu v různých výškách. Též tlak vzduchu, srážky a jejich akumulace, oblačnost, vítr v různých výškách a jeho nárazy a další prvky.

Numerické modely: Model ALADIN (Aire Limitée Adaptation Dynamique Development International)

Tento model je typicky regionálním modelem, 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 nyní předpovídá i některé vedlejší prvky. Též se jeho výstupy v nedávné době rozšířily o další předpovědní termíny a předpovědní mapy najdeme veřejně v chodu po 3 hodinách. Vedle výstupových map umožňuje model předpověď grafickou v podobě meteogramu pro konkrétní definovanou lokalitu – větší města.

Výsledky výpočtů modelů Aladin lze sledovat na stránce Aladin Mapy. ČHMÚ poskytuje jeho výsledky i v mobilní aplikaci pro pokročilé.

Numerické modely: Model MEDARD (Meteorological nad Environmental Data Assimilating systém for Regional Domains)

Model pro krátkodobou předpověď základních prvků na omezeném území. Tento používá numerický model MM5 s konfigurací pro ČR. Rozlišení modelu je pro střední Evropu 27km, pro území ČR 9km. Model předpovídá na 3 hodiny dopředu v intervalu 1-2 hodin. Frekvence jeho aktualizace je tedy opravdu četná. výstupy jsou v podobě statických map i jednoduchých animací.

Numerické modely: Model HIRLAM (High Resolution Limited Area Model)

Provozuje ho 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.

Spolupráce NWP

Výsledkem spolupráce je 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). A to v tzv. mezistěně v úzké spolupráci s ALADIN (vede francouzská meteoslužba Meteo France) a ECMWF. Sytém HARMONIE je hlavním předpovědním systémem pro meteorologické organizace sdružení v rámci projektu HIRLAM s rozlišením 2.5km. V rámci uvedené spolupráce byl vyvinut celosvětový systém pro předpovědi globálního omezeného prostoru GALMEPS. Ten zahrnuje 52 sestav s rozlohou asi 8km, který je v provozu od roku 2013. Vyvíjí dvoudenní pravděpodobnostní prognózy pro členské služby ALADIN a HIRLAM.

Shrnutí na závěr: Numerické modely, díl a úspěšnost práce

Cílem vývoje předpovědních numerických modelů je tedy zlepšení předpovědi počasí a informování veřejnosti o jeho průběhu. A mnoho výsledků je zcela volně k dispozici a zdarma, mnoho dalších má k dispozici pouze meteorolog prognostik. Zejména o nebezpečném průběhu počasí a tedy nebezpečných jevech. Pod tím si představme například včasnou identifikaci a lokalizaci vydatných srážek, které by mohly například i spolupůsobením některých dalších faktorů vyvolat povodeň.

Cílem je pro meteorologické služby i veřejnost poskytovat přesné a špičkové předpovědi. Proto se numerické modely neustále vyvíjí ve smyslu zlepšují a přibývají, tedy jsou vyvíjeny, nové. Nové modely slouží také k experimentálním účelům, některé sestavují i fiktivní předpovědi počasí sloužící pouze pro výzkum. Ten povede opět k dalšími zdokonalení numerických předpovědí a oboru numerické meteorologie.

Dočetli jste až sem? Pak vás to opravdu bavilo, asi jste toho doposud o modelech nevěděli mnoho a pro nás to znamená, že se vyplatilo tento článek vydat. O numerických modelech je možno říci mnoho, proto nevylučujme někdy i pokračování. A podrobný popis numerických modelů najdete též na naší stránce Numerické modely. Výše pojednáváme o tématice numerické modely, cíl a úspěšnost jejich práce. Tím se rozumí, jaký cíl mají numerické modely plnit a jaká je přesnost jejich výpočtů v současné době moderních technologií.