@Ton: Over voorspelbaarheid en modeltermijnen

Bericht van: Saskia (Diepenveen)  - moderator - , 20-10-2009 00:26 

Is het volgens jou principieel onmogelijk om tot een redelijke 20-daagse te komen in de toekomst? Vergelijkbaar met 3 dagen vooruit (nu).

Interessante vraag, het heeft me een avondje speuren in de materie (mn richting/in de chaostheorie) bezorgd. Wat ik met mijn speurwerk tegenkwam heb ik geprobeerd te verwoorden in de onderstaande tekst.


Op basis van de huidige stand van de wetenschap is het onmogelijk om voor onze streken (gematigde breedte) tot een 20-daagse te komen die qua betrouwbaarheid gelijk zou zijn aan die van de 3-daagse van nu. De 'chaos' in het globale weersysteem steekt er voortijdig een stokje voor.

Beknopt beschreven komt het erop neer dat de bewegingen van lucht in de atmosfeer beschreven worden door de non-lineare vergelijkingen van Navier-Stokes (en om andere processen te beschrijven zijn er dan ook nog een bult andere vergelijkingen en parameterisaties nodig). Voor het berekenen van die stromingen heb je een uitgangssituatie nodig, in het geval van het weer zijn dan de diverse metingen boven land, zee, in de atmosfeer en van satellieten basis voor de uitgangssituatie. Nu is het zo dat de gemeten gegevens niet 100% perfect zijn (en ook geen 100% representatie van de atmosfeer zijn, door zowel meetfouten als het beperkte aantal metingen). In zo'n non-lineair systeem zal een kleine afwijking in de begincondities ook mee gaan in de non-lineaire berekeningen en dan kan een kleine afwijking na een aantal stappen zo doorgegroeid zijn dat het de uitkomst op dat punt onbruikbaar maakt.

A perfect forecast would require not only a perfect model, but also perfect knowledge of wind, temperature, humidity and other conditions everywhere around the world at one moment of time. Even a small discrepancy could lead to completely different weather.

Bron: http://www.nytimes.com/2008/04/17/us/17lorenz.html

Edward Lorenz ontdekte dit verschijnsel in de jaren 60 (alhoewel er in het verleden ook wel aan geschampt werd door oa Poincaré), en in die tijd kwam men tot de conclusie dat de voorspelbaarheidshorizon voor de gematigde breedte mbt het weer op 1 a 2 weken lag. In 30-40 jaar tijd is in dat inzicht niet veel veranderd (dat zag je ook in het citaat van het KNMI in mijn post van 12:57). Het heeft wel gezorgd dat er een andere richting is ingeslagen in de verdere ontwikkeling van weermodellen, men is meer bezig geweest met verbeteren van de verwachtingen binnen de voorspelbaarheidhorizon (wat nog wel haalbaar zou zijn) ipv proberen de modelberekeningen op langere termijn te verbeteren.

Het werk van Lorenz had belangrijke gevolgen voor de verdere ontwikkeling van de numerieke verwachtingsmethoden. Als gevolg van het werk van Lorenz wordt de toenemende rekencapaciteit van de computers niet langer meer vooral gebruikt voor pogingen om de verwachtingstermijn te verlengen, maar meer voor het verbeteren van de kwaliteit van de verwachtingen binnen de voorspelhorizon. Modellen die slechts een beperkt gebied beslaan zijn dan zeer nuttig naast de grootschalige modellen. Voorts ging men systematisch aandacht besteden aan verwachtingen omtrent de mate van de onnauwkeurigheid waarmee weersverwachtingen behept zijn. Hiertoe ontwikkelde men de zogenaamde ensemble methode, een werkwijze die zeer veel rekencapaciteit vereist. (In de meteorologie worden steeds de krachtigste computers gebruikt die verkrijgbaar zijn).

Bron: http://www.knmi.nl/kenniscentrum/buys_ballotmedaille_lorenz.html

Daarbij kwam dan nog de ensembletechniek, waar wij ook nog dagelijks een van de verschillende soorten producten van bekijken.

Om een gefundeerde schatting te verkrijgen van de onnauwkeurigheid die aan de weersverwachtingen verbonden is, heeft men de ensemblemethode ontwikkeld. Men voert dan voor dezelfde voorspeltermijn een groot aantal berekeningen uit met begintoestanden die verschillen vertonen van de orde van grootte van de onnauwkeurigheid in de waarnemingen van de begintoestand. Men krijgt dan een 'ensemble', een pluim van verwachtingen, die geleidelijk breder wordt omdat de onnauwkeurigheid van de verwachtingen met de tijd toeneemt.

Bron: http://www.knmi.nl/kenniscentrum/buys_ballotmedaille_lorenz.html


Zie verder ook:
Voorspelbaarheid van weer en kfimaat - door JD Opsteegh
Chaos and Climate
Gouden Buys Ballotmedaille voor Edward Lorenz


Als extra nog wat gerelateerde stukjes uit de Beta-canon:
Weer en klimaat
Chaos
Oceaanstromingen


Men weet ook bij het NCEP van de beperkingen in de weersverwachtingen agv 'chaos'. Die aangekondigde 35-daagse v/h GFS zal ook voor andere toepassingen gebruikt worden dan het deterministisch verwachten van het weer op dag 19 of 29. Ben schreef al dat het de bedoeling is om een brug te slaan tussen de kortetermijn fluctuaties in en van het weer en de langere termijn bewegingen in seizoenen. En dan praat je dus eigenlijk over 2 systemen die niet precies hetzelfde zijn (werken op andere tijdschalen waarbij verschillende processen verschuiven qua belangrijkheid bijv).
Daarbij wil ik nog wel even toevoegen dat men bij zo'n instituut als het NCEP heus niet zomaar iets operationeel gooit (en kostbare rekentijd op de supercomputers gaat verbruiken), er zal al wel een behoorlijk traject van onderzoek en testen aan vooraf zijn gegaan. Men vindt het daar dus blijkbaar wel zinvol om die data te gaan berekenen en te gaan gebruiken.  Quote selectie