Written by 13:12 Nauka

Historia numerycznego prognozowania pogody – powstanie konsorcjum ALADIN

Marcin Kolonko (współpraca: Bogdan Bochenek)
IMGW-PIB/Laboratorium Zaawansowanych Metod Modelowania Meteorologicznego

Wiosną 1998 roku w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej przygotowano pierwsze operacyjne prognozy pogody na bazie modelu ALADIN. Obliczenia wykonano na komputerze IBM RS/6000 SP w Akademickim Centrum Obliczeniowym Cyfronet, skąd wyniki transmitowano z pomocą łącza telefonicznego do Instytutu, a tam przygotowywano ich wizualizację. Dzisiaj prognozy przygotowuje się w centrum obliczeniowym IMGW-PIB, wykorzystując m.in. modele konsorcjum ALADIN następnej generacji – ALARO i AROME. Poznajcie historię jednego z najważniejszych na świecie systemów programistycznych do prognozowania pogody.

Pierwszym, który dostrzegł możliwość użycia maszyn liczących w meteorologii był norweski uczony Vilhelm F.K. Bjerknes. Na przełomie XIX i XX wieku sformułował on szereg równań opisujących stan atmosfery i rządzących jej ewolucją. Ówcześnie dostępna technologia nie pozwalała jednak na praktyczne wykorzystanie jego teorii. W 1922 roku brytyjski fizyk Lewis Fry Richardson powrócił do koncepcji prognozowania pogody przy użyciu maszyny, tworząc futurystyczną koncepcję “fabryki pogody”. Miała on opierać się na pracy kilkudziesięciu tysięcy ludzi, wykorzystujących suwaki logarytmiczne do obliczania kolejnych wątków związanych z prognozą. Świat musiał czekać jeszcze blisko trzydzieści lat, aby odważne teorie obu badaczy wcielono w praktykę.

Ilustracja “fabryki pogody” Lewisa Fry Richardsona (źródło: UCD News, Francois Schuiten)
Ilustracja “fabryki pogody” Lewisa Fry Richardsona
(źródło: UCD News, Francois Schuiten)

Moce obliczeniowe w służbie meteorologii

Drogę do numerycznego prognozowania pogody otworzyła era komputerów elektronicznych, której początki sięgają lat 40. i 50. XX wieku, gdy skonstruowano jednostki ENIAC oraz BESK. W 1948 roku amerykański meteorolog Jule Charney z zespołem jako pierwsi zaprogramowali maszynę cyfrową do obliczenia prognozy i stworzyli działający model numeryczny. Osiem lat później Norman A. Phillips opracował pierwszy model klimatyczny. W latach 50. i 60. nastąpił gwałtowny wzrost możliwości komputerów. Zjawisko podwajania się ich mocy obliczeniowej zostało wkrótce opisane w formule tzw. prawa Moore’a. Z czasem kolejne służby meteorologiczne – amerykańska (Joint Numerical Weather Prediction Unit), czy szwedzka (z Karlem-Gustavem Rossby’m na czele) stawały się posiadaczami coraz szybszych maszyn. Rozpoczęła się ekspansja modeli globalnych. W 1970 roku powstało, słynne do dziś, amerykańskie NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory. Pojawiały się kolejne generacje coraz lepszych maszyn liczących: Colossus, IBM, CRAY, a wraz z nimi nowe koncepcje eksploatowania modeli regionalnych (LAM – limited area models), pozwalających uzyskiwać krótkoterminowe prognozy o większej rozdzielczości przestrzennej. W 1975 roku powołano do życia Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych (ang. European Centre for Medium-Range Weather Forecasting – ECMWF). Cztery lata później w ośrodku powstają pierwsze prognozy numeryczne.

Zdjęcie ENIAC-a (źródło: US Army)
Zdjęcie ENIAC-a (źródło: US Army)

Meteo-France, prognozowanie numeryczne i upadek Muru Berlińskiego

W wyniku przemian ustrojowych w 1989 roku pojawiła się możliwość wciągnięcia do europejskiej współpracy zespołów specjalistów zza „żelaznej kurtyny”. Koncepcja konsorcjum modelowania numerycznego zrzeszającego służby meteorologiczne krajów Europy Zachodniej i Wschodniej zrodziła się w METEO-FRANCE. Istotny wkład w jego powstanie wnieśli J.F. Geleyn (główny inicjator projektu), R. Bubnova, D. Devenyi i V. Ivaanovici. Inicjatywa szybko zaczęła nabierać kształtu. W 1990 roku służba meteorologiczna Francji zaproponowała grupie analogicznych służb z Europy Środkowej realizację wspólnego projektu stworzenia spektralnego modelu mezoskalowego ALADIN i eksploatowania go na potrzeby operacyjnego prognozowania pogody. W negocjacjach ze stroną francuską Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej reprezentował ówczesny dyrektor do spraw prognoz – Adam Wojtach. Prace ruszyły w 1991 roku i po kilku latach nowo powstały model ALADIN rozpoczął swoją “służbę” – najpierw w METEO FRANCE, a później w kolejnych krajach współpracujących w projekcie. Obecnie konsorcjum ALADIN zrzesza służby 16 państw:  Francję, Belgię, Portugalię, Maroko, Tunezję i Algierię, Polskę, Czechy, Słowację, Austrię, Węgry, Bułgarię, Rumunię, Słowenię i Chorwację oraz Turcję.

Mapa podziału Europy na poszczególne konsorcja; w 2021 r. kraje konsorcjum ALADIN, HIRLAM i LACE połączą się w jedną grupę (źródło: Eumetnet, Patricia Pottier)
Mapa podziału Europy na poszczególne konsorcja; w 2021 r. kraje konsorcjum ALADIN, HIRLAM i LACE połączą się w jedną grupę (źródło: Eumetnet, Patricia Pottier)

ALADIN w XXI wieku

Aktualnie w skład systemu ALADIN, bo tak nazywamy zestaw modeli rozwijanych w konsorcjum, wchodzą model globalny ARPEGE oraz modele lokalne: ALADIN, ALARO i AROME. Model ARPEGE jest uruchamiany cztery razy dziennie w METEO-FRANCE na siatce o rozdzielczości przestrzennej od 7.6 km do 37 km (7.6 km w Europie). Dostarcza dane początkowe i brzegowe dla modeli wykorzystywanych w krajach konsorcjum. Przez wiele lat głównym modelem lokalnym był model ALADIN, jednak w ostatnich latach został on wyparty przez modele pracujące w lepszych rozdzielczościach – ALARO i AROME.

Od początku swojego istnienia konsorcjum ALADIN współdzieli kod modeli z konsorcjum ECMWF. Co pół roku odbywa się wymiana doświadczeń i najnowszych osiągnięć między grupami, co zapewnia obustronny, dynamiczny rozwój. W ostatnich latach realizowana jest fuzja ALADIN z konsorcjum HIRLAM. Zgodnie z najnowszymi planami nowa grupa, zrzeszająca 26 krajów, rozpocznie swoją działalność w 2021 roku. Jej głównym celem będzie tworzenie jak najlepszych modeli numerycznych prognoz pogody.

Po co tyle modeli?

Modelem globalnym, na którym opierają się aktualnie zarówno ALARO, jak i AROME jest model ARPEGE. Jego siatka obliczeń nie jest rozłożona równomiernie, lecz wagowo. Największą wagę (i najwyższą rozdzielczość) ma region Europy Zachodniej i Środkowej, natomiast najmniejszą (i najrzadziej rozmieszczoną sieć obliczeń) – antypody (Australia i Oceania). Pozwala to skupić się na regionach dla których prognoza jest najważniejsza, przy jednoczesnej oszczędności czasu potrzebnego na obliczenia obejmujące cały glob. Model globalny ma jedynie warunki początkowe, gdyż topologia jego siatki jest sferyczna (nie jest to wycinek większej całości, lecz cała atmosfera Ziemi).

Siatka modelu globalnego ARPEGE; najlepsza rozdzielczość z jaką prognozuje model (7.6 km) znajduje się w Europie (źródło: Centre National de Recherches Meteorologiques, France)
Siatka modelu globalnego ARPEGE; najlepsza rozdzielczość z jaką prognozuje model (7.6 km) znajduje się w Europie (źródło: Centre National de Recherches Meteorologiques, France)

Dlaczego w takim razie potrzebujemy modeli regionalnych?

Ponieważ traktują one zjawiska miejscowe – takie jak np. fronty powietrza dla ALADIN, głęboka konwekcja dla AROME, zjawiska mezoskalowe dla ALARO – z większą dokładnością niż model globalny. To, co w modelu globalnym opisuje jedno równanie, w modelu średniej skali (czyli wyższej rozdzielczości) rozrasta się do długiej sekwencji wzorów i zależności. Przykładem jest mikrofizyka chmur, szczególnie rozbudowana w modelu AROME. W modelu globalnym nie interesuje nas, jak rozłoży się opad czy temperatura w konkretnym paśmie górskim. Natomiast modele o wyższej rozdzielczości są w stanie coraz lepiej przewidywać pogodę w obszarach pogórza i typowo górskich (Tatry, Beskidy, Bieszczady). Nie od dziś wiadomo, że prognozowanie w tych rejonach, podobnie jak przewidywanie sytuacji ekstremalnych, są testem dokładności modeli.
Topografia modelu AROME o rozdzielczości 0.5 km – testowa domena dla Tatr; przy tak dobrej rozdzielczości widać poszczególne pasma górskie oraz doliny rzek (źródło: Zakład Prognoz Numerycznych ALADIN)
Topografia modelu AROME o rozdzielczości 0.5 km – testowa domena dla Tatr; przy tak dobrej rozdzielczości widać poszczególne pasma górskie oraz doliny rzek (źródło: Zakład Prognoz Numerycznych ALADIN)

ALADIN na służbie

Intensywne i długotrwałe opady deszczu (skutkujące podtopieniami lub powodzią), gwałtowne burze, nawałnice, opady gradu, susze – te coraz częściej pojawiające się zjawiska ekstremalne powodują poważne straty w gospodarce oraz mieniu społeczeństwa. Modele numeryczne pozwalają pośrednio ograniczyć koszty takich kataklizmów. Na podstawie analizy ich wyników IMGW-PIB przekazuje odpowiednim służbom alerty i ostrzeżenia, a mediom informację na temat możliwych zagrożeń.

Dzięki codziennej eksploatacji użytkownicy modeli wychwytują błędy w ich oprogramowaniu i przyczyniają się do ciągłego rozwoju produktów. Bardzo istotnym elementem są szkolenia pracowników Zakładu Prognoz Numerycznych ALADIN w krajach konsorcjum ALADIN. Ponadto eksperci IMGW-PIB prowadzą badania naukowe i testy, których wyniki mogą w przyszłości wpłynąć na kształt modeli z rodziny ALADIN i zwiększyć ich zdolność prognozowania.

Meteogram dla modelu AROME; pięć paneli przedstawiających prognozy dla wybranego punktu (od góry: Profil Atmosfery – wilgotność względna, temperatura i wiatr na poziomach ciśnieniowych; Temperatura – na poziomie 2 metry nad gruntem, na powierzchni gruntu, maksymalna i minimalna temperatura oraz temperatura punktu rosy;  Opady – suma opadów, wilgotność względna na poziomie 2 metry nad gruntem, widzialność; Wiatr – wiatr i porywy wiatru na wysokości 10 metrów nad gruntem, ciśnienie na poziomie morza; Zachmurzenie – zachmurzenie chmurami piętra niskiego, średniego i wysokiego oraz zachmurzenie całkowite)
Meteogram dla modelu AROME; pięć paneli przedstawiających prognozy dla wybranego punktu (od góry: Profil Atmosfery – wilgotność względna, temperatura i wiatr na poziomach ciśnieniowych; Temperatura – na poziomie 2 metry nad gruntem, na powierzchni gruntu, maksymalna i minimalna temperatura oraz temperatura punktu rosy; Opady – suma opadów, wilgotność względna na poziomie 2 metry nad gruntem, widzialność; Wiatr – wiatr i porywy wiatru na wysokości 10 metrów nad gruntem, ciśnienie na poziomie morza; Zachmurzenie – zachmurzenie chmurami piętra niskiego, średniego i wysokiego oraz zachmurzenie całkowite)

Modele konsorcjum ALADIN wykorzystywane są w IMGW-PIB od wielu lat. Stanowią przede wszystkim wsparcie dla synoptyków przy prowadzeniu osłony meteorologicznej i hydrologicznej kraju. Ponadto znalazły zastosowanie w osłonie lotnictwa cywilnego, prognozach zanieczyszczenia i jakości powietrza, badaniach klimatu i prognozach nowcastingowych. W najbliższym czasie w modelach z rodziny ALADIN wprowadzane będą kolejne udoskonalenia: przedłużenie horyzontu czasowego prognozy do 36 h i 72 h (odpowiednio dla AROME i ALARO) czy uwzględnienie pola krupy śnieżnej oraz aerozoli w ALARO. Przyszłością modelowania mogą być prognozy zespołowe, znaczne zwiększenie rozdzielczości przestrzennej i wykorzystanie metod sztucznej inteligencji.

Marcin Kolonko (współpraca Bogdan Bochenek) | Laboratorium Zaawansowanych Metod Modelowania Meteorologicznego, IMGW-PIB

Zdjęcie główne: Divya Jain | Unsplash

(Visited 559 times, 1 visits today)
Close