Aktuality SHMÚ

Neurčitosť v predpovedi počasia na niekoľko dní dopredu

18.3.2017 | METEOROLÓGIA | ANALÝZA | CYRIL SIMAN

Nie je ničím prekvapivým, že so zvyšujúcim sa počtom dní, od okamihu kedy má meteorológ k dispozícii čerstvé predpovedné materiály, až do dňa na ktorý je predpoveď pripravovaná, sa pravdepodobnosť úspešnosti predpovede znižuje. To znamená, že ak si užívateľ žiada na začiatku mesiaca o predpoveď na niektorý deň v jeho druhej dekáde, musí už počítať s jej veľkou neistotou. Niekedy sa však veľké rozdiely v predpovedi počasia objavia aj zo dňa na deň a to aj v strednodobom časovom horizonte. Vierohodnosť predpovede si meteorológ môže overiť pomocou pravdepodobnostnej predpovede, často však rozhoduje aj jeho skúsenosť.

Na odbore meteorologických predpovedí a výstrah v SHMÚ pripravujeme každý deň strednodobú predpoveď počasia na 3 až 7 dní dopredu. Kým úspešnosť predpovede počasia na druhý, tretí a štvrtý deň dosahuje v priemere viac ako 90 %, v ďalších dňoch úspešnosť klesá a naopak zvyšuje sa jej neurčitosť. S vysokou úspešnosťou sa nám darí predpovedať napríklad plošný výskyt zrážok (zrážky sa nevyskytnú, alebo ak sa vyskytnú tak ich plošný výskyt vyjadrujeme slovami ojedinele, miestami, na viacerých miestach, prípadne všade), naopak problematická je predpoveď smeru vetra, čo je spôsobené predovšetkým zložitým reliéfom Slovenska. Pri predpovedi počasia pre konkrétny bod je úspešnosť predpovede nižšia, najmä ak predpovedáme plošne izolovaný jav ako je napr. búrka (máme na mysli predovšetkým búrky vnútri vzduchovej hmoty), prípadne výskyt radiačnej hmly a i. Pri tvorbe predpovede na kratšie obdobie (1-2 dni) si ,,vystačíme" s deterministickými výstupmi modelov, ktoré nám povedia ,,presne" ako bude. V strednodobom, prípadne dlhodobom časovom horizonte však takáto predpoveď stráca na účinnosti. Bežný užívateľ však často vyžaduje presnú informáciu aj na niekoľko dní dopredu. Predpovedať presnú hodnotu maximálnej dennej teploty vzduchu pre danú lokalitu na 5 dní dopredu je však menej korektné ako vysloviť určitú pravdepodobnosť s akou sa maximum teploty na daný deň môže vyskytnúť. To platí predovšetkým v období s dynamickou atmosférickou cirkuláciou.

Veľká časť práce synoptického meteorológa spočíva práve v pochopení a v správnej interpretácii výstupov numerických modelov. Je to však len jeden z krokov na ceste k predpovedi a na začiatku tohto procesu je náročný a dôležitý krok - čo najlepšie popísať aktuálny stav počasia.

Náročnosť tejto úlohy spočíva predovšetkým v tom že:

Atmosféra je dynamický a chaotický systém a preto aj veľmi podobné stavy na začiatku jeho vývoja sa časom môžu vyvíjať veľmi odlišne.

Správaním dynamických nelineárnych systémov sa zaoberá teória chaosu, ktorú zviditeľnil v 60. rokoch 20. st. meteorológ a matematik Edward Lorenz, z ktorého menom sa od roku 1963 spája tzv. Lorenzov atraktor (obr. 1). Ten názorne opisuje správanie chaotických a dynamických systémov, ktorých odlišný vývoj určuje už malá zmena v počiatočných podmienkach.

Na popísanie aktuálneho stavu počasia slúžia početné merania. Aj v súčasnosti sú však stále na Zemi pomerne veľké oblasti, kde je ich množstvo nedostatočné. Ide predovšetkým o rozsiahle oblasti nad oceánom, v centrálnej Afrike a v polárnych oblastiach (obr. 2).

V snahe o čo najlepšiu prognózu boli v numerickej meteorológii vyvinuté rôzne metódy, ktoré vedú k zlepšeniu výsledkov pri predpovedaní počasia. Jednou z nich je aj zmena počiatočných podmienok alebo počiatočného stavu atmosféry (tzv. perturbácia). Tým už na začiatku pripúšťame, že merania, ktoré vstupujú do modelu nepopisujú aktuálny stav atmosféry dostatočne a jeho vývoj tak môžeme predpokladať s určitou neurčitosťou (pomocou perturbácii sa snažíme eliminovať nedostatočné merania). Aj keď to na prvé počutie znie nelogicky takéto riešenie má zmysel používať najmä pri predpovedi na dlhšie obdobie. V prípade, že takto spustíme naraz viac modelových predpovedí vždy s trochu inými počiatočnými podmienkami, môžeme výsledky štatisticky vyhodnotiť a zistiť aká hodnota meteorologickej veličiny sa bude vyskytovať s najväčšou pravdepodobnosťou.

Obr. 1: Lorenzov atraktor - krivky znázorňujú vývoj dvoch dynamických a chaotických systémov, pričom začiatok ich vývoja je málo odlišný, čo sa viditeľne prejaví v ich rozdielnej trajektórii.

Obr. 2: Rôzne druhy a pokrytie meraní využívané v analýzach predpovedného centra ECMWF

Predpovedný systém Európskeho centra pre strednodobú prepdoveď počasia (ECMWF)

Pri tvorbe strednodobej predpovede počasia využívame v SHMÚ najmä predpovedný systém ECMWF (ang. Ensemble Prediction System). Ten sa skladá z 50 členov, pričom každý z nich má trochu pozmenené (perturbované) počiatočné podmienky a jedného kontrolného behu, ktorý počiatočné podmienky zmenené nemá (jedná sa o reálne namerané dáta - označovaný tiež ako najlepší odhad počiatočného stavu atmosféry). Tieto členy majú horizontálne rozlíšenie 18 km a predpoveď je počítaná pre 91 vertikálnych hladín. Okrem toho je predpoveď na desať dní dopredu dvakrát denne iniciovaná aj vo vysokom rozlíšení, pričom tento modelový beh nazývame hlavný beh (alebo tiež High Resolution - beh s vysokým rozlíšením). Jeho rozlíšenie je v porovnaní s kontrolným behom a 50 členmi ansámblu vyššie (9 km a 137 vertikálnych hladín), ale rovnako ako pri kontrolnom behu nie sú počiatočné podmienky perturbované.

Výhodou kontrolného behu je, že má s členmi ansámblu spoločné rozlíšenie a s hlavným behom spoločné počiatočné podmienky a predstavuje tak medzi nimi určité prepojenie. Využíva sa práve na porovnávanie predpovede generovanej hlavným behom a členmi ansámblu. V prípade, že medzi oboma predpoveďami nie je výrazný rozdiel môžeme predpokladať, že na predpovedaný parameter nemá rozlíšenie vplyv. Spolu tak máme k dispozícii 52 individuálnych predpovedí.

Výsledkom každej predpovede je pravdepodobnostné rozdelenie (tzv. hustota pravdepodobosti) predpovedaného meteorologického prvku. Najpravdepodobnejší výsledok (predpoveď) bude ten, ktorý sa vyskytuje najčastejšie, prípadne môžeme zvoliť interval hodnôt, v ktorom bude najviac výsledkov. Pre lepšiu predstavu ponúkame obr. č. 3, kde jednotlivé krivky znázorňujú časový vývoj viacerých predpovedí, pričom každá začína z trochu iných počiatočných podmienok. Na rovnakom princípe je založená aj ansámblová predpoveď ECMWF zobrazená prostredníctvom meteogramov a tzv. krabicových grafov, ktoré znázorňujú rozdelenie údajov do kvantilov (obr. 4).

Obr. 3: Vývoj systému (alebo predpovede) v čase, pri málo odlišných počiatočných podmienkach

Obr. 4: Princíp pravdepodobnostnej predpovede ECMWF (produkt meteogramy), kde výsledná predpoveď meteorologického prvku je znázornená s určitou pravdepodobnosťou, pričom medián je stredná hodnota, max a min je člen s najvyššou, respektívne najnižšou predpovedanou hodnotou meteorologického prvku (v tomto prípade teploty vzduchu).

Problémy pri predpovedaní počasia na viac dní dopredu - praktický príklad

Neurčitosť v aktuálnej strednodobej predpovedi je už niekoľko dní evidentná najmä na stredu 22.3. Na obr. 5 je predpoveď hladiny 500 hPa (výška hladiny a teplota) prostredníctvom modelu s vysokým rozlíšením (High Resolution alebo hlavný beh) iniciovaná zo 4 rôznych polnočných termínov od 15. do 18.3 (A-D). Hladina 500 hPa je pri tvorbe predpovedi dôležitá, pretože okrem iného na nej identifikujeme polohu výškových tlakových útvarov a výškovú frontálnu zónu (na obrázku označená ako VFZ) s ktorou sú spojené atmosférické fronty. Okrem toho v tejto výške nad zemským povrchom (približne 5,5 km), kde už neuvažujeme vplyv trenia na pohyb vzduchových hmôt, môžeme ľahko identifikovať prevládajúce prúdenie (približne pozdĺž izohýps). Na spomínanom obrázku môžeme vidieť výraznú zmenu v prestavbe tlakových útvarov najmä medzi predpoveďou iniciovanou zo 16. (obr. 5 B) a 17.3. (obr. 5 C), kde vidieť presun VFZ viac na juh, s čím súvisí zmena prevládajúceho prúdenia z teplejšieho južného na chladnejšie západné.

Zmenu si na prvý pohľad všimneme aj na obrázku č. 6., kde je znázornená teplota vzduchu v hladine 850 hPa, ktorá je prvou hladinou, kde už denný chod meteorologických prvkov nie je ovplyvnený povrchom (po väčšinu roka, neplatí vždy v lete). Môžeme tak sledovať zmenu v charaktere vzduchových hmôt a to aj bez výkyvov, ktoré sú spôsobené striedaním dňa a noci (pokles teploty v noci, maximum teploty vzduchu za slnečného a ustáleného počasia popoludní a pod.). Aj na tomto obrázku je možné vidieť zmenu v predpovedi najmä medzi výstupmi modelu zo 16 (obr. 6 B) a 17.3 (obr. 6 C).

V reálnej situácii by to vyzeralo asi tak, že kým podľa výstupu modelu zo 16.3. by na naše územie prúdil od juhu teplý vzduch, predpoveď o 24 h neskôr naznačuje postupujúci studený front a ochladenie od severozápadu.

Na poslednom obrázku (č. 7) je porovnanie ansámblovej predpovede na 10 dní dopredu, zo štyroch rôznych termínov pre stanicu Hurbanovo. Na obrázku vidieť, že pri predpovedi iniciovanej zo 17.3. je pomerne veľký rozdiel medzi predpovedanou maximálnou dennou teplotou vzduchu na 22.3. podľa hlavného behu, a ostatnými členmi ansámblu (všimnite si časť obrázku označenú písmenom C). Takmer všetky členy ansámblu (zobrazené v krabicovom grafe) predpovedajú na tento deň vyššie maximum teploty vzduchu v porovnaní s výstupom modelu s vysokým rozlíšením. Pri predpovedi iniciovanej z 15., 16. a 18.3. je už neurčitosť v predpovedi maximálnej dennej teploty vzduchu na tento deň nižšia. Pri predpovedi zo 16.3. je však väčšia neurčitosť viditeľná na štvrtok 23.3., čo môže znamenať, že viacero členov ansámblu očakáva zmenu v počasí až o deň neskôr. Je na uváženie meteorológa, ktorú alternatívu si zvolí, spravidla je však najprijateľnejším riešením stred ansámblu (medián) a tiež porovnávanie viacerých behov modelu navzájom.

Obr. 5: Predpoveď výšky a teploty vzduchu v hladine 500 hPa zo štyroch termínov (A-D) na stredu 22.3. o 12:00 UTC

Obr. 6: Predpoveď teploty vzduchu v hladine 850 hpa zo 4 termínov (A-D) na 22.3. o 12:00 UTC

Obr. 7: Ansámblová predpoveď ECMWF pre Hurbanovo zo 4 termínov (A-D) na 10 dní dopredu