Meteorologer ska försöka göra årslånga väderprognoser

Att försöka förutsäga vädret mer än ett par veckor framåt är meningslöst eftersom vädersystemens kaotiska utveckling kan ha tagit helt oväntade vägar. Därför kan det tyckas vara orealistiskt med prognoser som sträcker sig månader framåt. Men det är just vad meteorologerna siktar på.
Men då krävs det superdatorer av ett slag vi inte sett än, mycket mer avancerade program än vad som finns idag, en bättre beskrivning av de fysikaliska processer som pågår på jorden – och en hel del annat. Kort sagt en ­revolution inom meteorologin.

Den amerikanska myndigheten NOAA:s - ungefär motsvarigheten till vårt SMHI - superdatorer är bland värdens kraftfullaste. Bild: NOAA

Den amerikanska myndigheten NOAA:s - ungefär motsvarigheten till vårt SMHI - superdatorer är bland värdens kraftfullaste. Bild: NOAA

Den amerikanska myndigheten NOAA:s - ungefär motsvarigheten till vårt SMHI - superdatorer är bland värdens kraftfullaste. Bild: NOAADen amerikanska myndigheten NOAA:s - ungefär motsvarigheten till vårt SMHI - superdatorer är bland värdens kraftfullaste. Bild: NOAAIdag är vi vana med att få prognoser som är hyfsat tillförlitliga några dagar framåt. Få tänker på vilket arbete som ligger bakom väderprognoser, vilken datorkraft som behövs och hur många olika slags informationskällor som meteorologer använder sig av. Väder är kaotiskt och därför mycket svårt att förutsäga någon längre tid framåt.

I slutet av 1800-talet betraktades ­väderprognoser inte ens som vetenskap. Många gjorde försök att prognosera väder, men utan någon större framgång. Det var mer gissningar än prognoser, beroende på att man ännu inte riktigt hade förstått hur atmosfären fungerade.

Men i början av 1900-talet insåg den norske fysikprofessorn och meteorologen Vilhelm ­Bjerknes att problemet med väderprognoser i grunden var matematiskt-fysikaliskt och att man borde ­använda Newtons rörelseekvationer, gaslagen och andra ­fysikaliska lagar för att beräkna väder­utvecklingen.

Väderprognoser skulle alltså räknas fram med hjälp av matematiska och fysikaliska formler. Men de uträkningar som skulle behövas var enorma och kunde inte göras för hand, även om det fanns de som försökte. Man visste alltså principen för hur väderprognoser skulle kunna göras, men hade inte verktygen för så omfattande beräkningar. De skulle komma först några decennier senare.

Enkla datorer fanns under 1940-talet och vidare­utvecklades under 1950-talet. Då gjordes också de första försöken att prognosera väder ­genom att låta datorer lösa de ekvationer som styr atmosfären. Eftersom datorerna hade en mycket begränsad kapacitet var de matematiska beräkningsmodeller som skulle efterlikna atmosfärens fysik naturligtvis mycket förenklade och prognoserna visade kanske att det fanns en väg framåt, men att vi ännu inte kunde förlita oss på datorprognoser – eller numeriska prognoser som man brukar säga.

Europeiskt vädercenter

I mitten av 1970-talet bildades här i Europa ett vädercenter, ECMWF (European Center for Medium range Weather Forecasts), med uppgift att utveckla globala numeriska väderprognoser upp till cirka tio dygn. ECMWF har idag 24 medlemsländer och tolv associerade länder, några utanför Europa, som Turkiet, Israel och Marocko. Förutom forskning och utveckling är vädercentrets uppgift att förse medlemmarna med dagliga prognoser upp till tio dygn. Sverige har varit medlem från första början och bidragit till verksamheten med många forskare och modellutvecklare. Den nuvarande forskningschefen, som leder de nya framtidsstrategierna heter Erland Källén och är svensk professor i meteorologi.

Kvasten av olika prognoskörningar i en ensembleprognos kan jämföras med rökslingor från cigaretter. De är ganska lätta att prognosera en eller ett par decimeter innan de övergår i en kaotisk strömning. Ensembleprognoserna brukar vara väl sammanhållna någon vecka framåt eller två, innan prognoserna förvirvlas i kaos.

Kvasten av olika prognoskörningar i en ensembleprognos kan jämföras med rökslingor från cigaretter. De är ganska lätta att prognosera en eller ett par decimeter innan de övergår i en kaotisk strömning. Ensembleprognoserna brukar vara väl sammanhållna någon vecka framåt eller två, innan prognoserna förvirvlas i kaos.

Hittills har man ansett att gränsen för atmosfärens förutsägbarhet ligger cirka två veckor framåt i tiden. Sedan blir prognosens utveckling alltmer kaotisk, eftersom de fel som alltid finns växer med prognostidens längd. Det är ungefär som ­röken från en cigarett som slingrar sig snyggt och ­prydligt en bit upp, tills mönstret totalt bryter samman efter ett tag. Men nu höjer det europeiska vädercentret ribban ordentligt. Trots att det idag verkar närmast omöjligt vill de kunna göra prognoser som sträcker sig upp mot fyra veckor, framför allt vad gäller extremväder. Och dessutom vill man försöka göra säsongsprognoser som sträcker sig flera månader framåt. De ska visserligen snarare vara sannolikhetsberäkningar för extrem­väder än vanliga väderutsikter, men utmaningen är minst sagt stor ändå. Sist men inte minst vill man också göra grova beräkningar av hur vädret kan ­utvecklas ett helt år framåt.

Man ruckar alltså på en del hittills vedertagna vetenskapliga sanningar om vad som är möjligt. Men vetenskapen har alltid sprängt nya gränser när nyfikna och engagerade forskare antar nya utmaningar. Vilken strategi har man då för att nå sina nya djärva mål? Jo, man måste naturligtvis utveckla alla delar av prognosverksamheten från ax till kaka.

De rubriker vi ofta får se på kvällstidningarnas löpsedlar har ibland inte så mycket med verkligheten att göra. Väderprognoser som sträcker sig ett par månader framåt är ren science fiction idag.

De rubriker vi ofta får se på kvällstidningarnas löpsedlar har ibland inte så mycket med verkligheten att göra. Väderprognoser som sträcker sig ett par månader framåt är ren science fiction idag.

Bättre observationer

Utgångsläget för en numerisk prognos är alla observationer som matas in i datorn: lufttryck, temperatur, fuktighet, vindriktning, vindhastighet och annat. Ju längre prognosen ska sträcka sig, desto större område måste man ha observationer från. Vill man prognosera mer än ett dygn framåt så måste man ha observationer från hela jorden. Och det måste vara riktiga mätvärden eller rätt beräknade mätvärden från ett tätt nät av punkter.

ECMWF:s 24 medlemsstater och de tolv associerade staterna.  Bild: ECMWF

ECMWF:s 24 medlemsstater och de tolv associerade staterna. Bild: ECMWF

 

Idag ligger det horisontella avståndet mellan dessa punkter – som vi kallar gridpunkter – i ­datormodellen på cirka tio kilometer. Om tio år vill man ha ett horisontellt avstånd på bara fem kilometer mellan gridpunkterna. Samtidigt ­måste man utöka antalet gridpunkter vertikalt, från drygt 100 till kanske 200 olika höjdnivåer. Det betyder att ungefär åtta gånger mer data ska matas in i modellerna. Med ett tätare gridnät måste man också ha ­kortare tidssteg framåt i prognosberäkningarna. Idag räknar man fram en tiodygnsprognos på ungefär en timme, med prognostidssteg på omkring tio minuter. Och detta kräver datorer som kan göra mer än 10 000 miljarder beräkningar per sekund.

Framtidens noggrannare prognosmodeller ­kräver prognostidssteg ned emot ett par minuter. Kravet på datorernas beräkningskapacitet kommer då att vara minst 40 gånger högre än idag.

Att simulera jorden

Men tätare och bättre observationer är bara steg ett. Nästa steg är att utveckla beräkningsmodellerna, som redan idag är mycket komplexa och sofistikerade. De nya beräkningsalgoritmerna måste stämma ännu bättre överens med den verkliga atmosfärens beteende än de nuvarande. Molnen och deras fysikaliska roll i processerna måste ­beskrivas på ett mer realistiskt sätt. Allt detta kräver datorkapacitet av en omfattning som vi ännu inte sett.

Prognoskvalitetens utveckling de senaste 35 åren. Kurvan visar prognos­kva­liteten hos ECMWF:s prog­noser från 1981 fram till idag. I början av 1980-talet var prognoserna användbara drygt fem och ett halvt dygn framåt i tiden. Nu närmar sig användbarheten nio dygn framåt i tiden. Prognoskvaliteten väntas fortsätta att förbättras i samband med nya stora satsningar på forskning och utveckling. Bild: ECMWF

Prognoskvalitetens utveckling de senaste 35 åren. Kurvan visar prognos­kva­liteten hos ECMWF:s prog­noser från 1981 fram till idag. I början av 1980-talet var prognoserna användbara drygt fem och ett halvt dygn framåt i tiden. Nu närmar sig användbarheten nio dygn framåt i tiden. Prognoskvaliteten väntas fortsätta att förbättras i samband med nya stora satsningar på forskning och utveckling. Bild: ECMWF

Hittills har vi använt oss av prognosmodeller som simulerar atmosfären och i viss mån även oceanerna, samt skillnaderna mellan land och hav. I nästa generation av väderprognoser måste vi involvera oceanerna och deras temperaturer och havsströmmar på ett bättre sätt. Dessutom måste energiomvandlingarna från vindenergi till vågenergi beskrivas på ett bra sätt. Kryosfären (is- och snöytor) och deras egenskaper måste även de innefattas i modellen. Likaså aerosoler (luftföroreningar) och deras inverkan i värmestrålningsbalansen.

Med alla dessa beståndsdelar blir det inte bara ett meteorologiskt system, utan en simulering av hela jorden – earth system, brukar man säga. Sammantaget ställs enorma krav på forskare, ­modellutvecklare och datorutvecklare.

Men om vi har alla dessa resurser och gör en prognos 3-4 veckor framåt med denna framtida sofistikerade prognosmodell – hur vet vi om vi kan lita på prognosen? Om vi gör prognoser som ligger till grund för varningar som medför massor av kostsamma åtgärder av samhället, så måste vi också ha någon form av varudeklaration på prognosen. Vi måste kunna svara på frågor som: Hur säker är prognosen? Hur långt fram i tiden kan vi förutsäga vädret i just detta väderläge?

Den svenske meteorologiprofessorn Erland Källén är chef för forskning och utveckling vid ECMWF och är fast besluten att det europeiska vädercentret ska fortsätta att utvecklas starkt, och därmed behålla positionen som världens bästa prognos­institut.

Den svenske meteorologiprofessorn Erland Källén är chef för forskning och utveckling vid ECMWF och är fast besluten att det europeiska vädercentret ska fortsätta att utvecklas starkt, och därmed behålla positionen som världens bästa prognos­institut.

Ensembleprognoser

Svaren kan vi få med hjälp av något som kallas ensembleprognoser – en samling av prognoser. Det innebär att man inte bara kör en enda prognosberäkning på datorn. Eftersom det finns osäkerheter i de observationer man matar in, så gör man små slumpmässiga ändringar i dessa ingångsvärden och gör förutom huvudprognosen ytterligare 50 prognoser med lite olika ingångsvärden. Om dessa prognoser följer ungefär samma linje långt fram i tiden, kanske tio dagar eller mer, kan man betrakta prognosen som ganska säker så långt. Om de olika prognoskörningarna spretar iväg och blir väldigt olika varandra tyder det på att väderläget är instabilt och svårförutsägbart. Kaos inträder då kanske redan efter 3-4 dygn i prognos­körningarna.

Sedan är det bara att hoppas att datorkraften kommer att räcka till. Men den utvecklingen har ju gått rasande fort och det finns anledning att tro att den fortsätter att utvecklas i minst samma takt trots rapporter om att vi snart nått så långt det går.
Men det är inte bara maskinerna som måste bli snabbare. Man måste också se till att datorkapaciteten utnyttjas på ett optimalt sätt.

Av de omkring 40 miljoner observationer som matas in i en numerisk prognosmodell, kommer ungefär 95 procent från satellitmätningar. I år skickas en ny europeisk vädersatellit, Aeolus, upp i rymden i en bana på 400 kilometers höjd. Därifrån ska den bland annat mäta vindar i atmosfären med avancerad laserutrustning. Det blir första gången sådana vindmätningar görs från satellit. Med dess hjälp räknar man med en markant förbättring av de numeriska väderprognoserna. Bild: Esa

Av de omkring 40 miljoner observationer som matas in i en numerisk prognosmodell, kommer ungefär 95 procent från satellitmätningar. I år skickas en ny europeisk vädersatellit, Aeolus, upp i rymden i en bana på 400 kilometers höjd. Därifrån ska den bland annat mäta vindar i atmosfären med avancerad laserutrustning. Det blir första gången sådana vindmätningar görs från satellit. Med dess hjälp räknar man med en markant förbättring av de numeriska väderprognoserna. Bild: Esa

Dagens superdatorer är parallella med hundra­tusentals sammankopplade processorer för att ge en hög beräkningskapacitet. För att kunna utnyttja så många processorer samtidigt behövs program som kan fördela beräkningsarbetet mellan processorerna på ett effektivt sätt. Beräkningar som är oberoende av varandra kan göras samtidigt på olika processorer, medan de som är beroende av tidigare beräkningar måste vänta på dessa resultat innan de kan utföras. Detta kräver smarta kodningar så att parallella beräkningar kan köras maximalt.

En annan flaskhals är minnesutnyttjandet. Eftersom varje processor bara har tillgång till en begränsad del av det totala minnet behövs en kod som på ett finurligt och effektivt sätt distribuerar utnyttjandet av minnet. Detta är saker som är mer allmänna datorfrågor och som inte enbart gäller meteorologi och prognosmodeller. Superdatorer används för alla möjliga beräkningar och simuleringar, så det pågår en hel del forskning och utveckling för att optimera numeriska metoder och effektivisera programmering.

Forskarna på ECMWF är redo att ro den här fullastade projektbåten i hamn med kraftiga årtag.

Fakta: 
Gudrun - så mycket bättre blev prognosen tio år senare

Orkanen Gudrun drabbade södra Skandinavien den 8-9 januari 2005. Det är nu drygt tio år sedan. Frågan är hur Gudrun prognoserades vid den tiden, och hur skulle den ha prognoserats med en prognosmodell från 2016? Prognosen 2005 var bra, men prognosen 2016 var bättre. Hur kommer prognoser och varningar för liknande oväder att vara 2025? Förmodligen ännu bättre och med en tidigare förvarning. Bättre vädervarningar i god tid kan innebära skillnad mellan liv och död, och i hög grad minska samhällets kostnader för sådana oväder.

Ensembleprognoser för ökad tillförlitlighet
I augusti 2014 drog en tropisk orkan, vid namn Bertha, norrut utanför Amerikas ostkust, för att sedan, enligt alla prognoser, röra sig vidare österut mot Europa under långsam försvagning. På kartan syns ett knippe av ensembleprognoser, utfärdade den 4 augusti, då Bertha låg en bit öster om Florida. Prognosknippet spretar ut mot slutet av prognostiden, en vecka senare, vilket tolkas som att banan hos ovädret är osäker. Men de flesta prognoserna antyder att den kommer att ta en bana över Brittiska öarna. Bild: ECMWF

I augusti 2014 drog en tropisk orkan, vid namn Bertha, norrut utanför Amerikas ostkust, för att sedan, enligt alla prognoser, röra sig vidare österut mot Europa under långsam försvagning. På kartan syns ett knippe av ensembleprognoser, utfärdade den 4 augusti, då Bertha låg en bit öster om Florida. Prognosknippet spretar ut mot slutet av prognostiden, en vecka senare, vilket tolkas som att banan hos ovädret är osäker. Men de flesta prognoserna antyder att den kommer att ta en bana över Brittiska öarna. Bild: ECMWF

En prognosberäkning flera dygn framåt i tiden kan vara väldigt bra, men i en del situationer kan prognosen gå snett av någon anledning. Det kan till exempel bero på att de observationer som matats in från början inte har haft tillräckligt god kvalitet, eller att atmosfären just då befinner sig i ett labilt och svårprognoserat läge.
 
För att få ett mått på säkerheten hos en prognos och den mest sannolika väderutvecklingen, kan man göra 50 extra prognoser med lite variationer i ingångsvärdena och får på så vis ytterligare 50 varianter på prognosen. Om ett stort antal prognoskörningar sammanfaller väl, kan man anta att den lösning som majoriteten av prognosberäkningarna kommit fram till är den mest sannolika utvecklingen. Om skillnaden mellan prognoserna är liten långt fram i tiden, har man anledning att betrakta prognosen som säker. En sådan samling av prognoskörningar kallas ensembleprognoser och sådana körs dagligen i rutin av ECMWF för att kontrollera huvudprognosens säkerhet. Om de olika prognoserna snabbt börjar skilja sig åt, så är prognosen mer osäker.
Den vänstra kartan visar resultatet av en ensembleprognos utfärdad den 4 augusti, gällande 6-9 dygn framåt i tiden. Kartan till höger visar resultatet av en ensembleprognos utfärdad 8 augusti gällande 2-5 dygn framåt. I den senare prognosen blir vindarna betydligt kraftigare. Färgerna på kartorna visar hur säkert man kan säga att vindbyarna kommer att bli högre än ett visst klimatologiskt medelvärde. Rött innebär att vindarna kommer att bli i närheten av de kraftigaste som någonsin (de senaste 30 åren) förekommit i det område där färgen visas. Ljusgult visar att vindarna kommer att bli ovanligt kraftiga, men inte extremt. Ovädret passerade Brittiska öarna 10-11 augusti och gav stormvindar och mycket stora regnmängder, på vissa håll 100–­150 milli­meter på två dygn. Det motsvarar medelvärdet för en hel augustimånad i dessa trakter. En bra förvarning för ett sådant oväder kan spara liv och stora kostnader för samhället. Bild: ECMWF

Den vänstra kartan visar resultatet av en ensembleprognos utfärdad den 4 augusti, gällande 6-9 dygn framåt i tiden. Kartan till höger visar resultatet av en ensembleprognos utfärdad 8 augusti gällande 2-5 dygn framåt. I den senare prognosen blir vindarna betydligt kraftigare. Färgerna på kartorna visar hur säkert man kan säga att vindbyarna kommer att bli högre än ett visst klimatologiskt medelvärde. Rött innebär att vindarna kommer att bli i närheten av de kraftigaste som någonsin (de senaste 30 åren) förekommit i det område där färgen visas. Ljusgult visar att vindarna kommer att bli ovanligt kraftiga, men inte extremt. Ovädret passerade Brittiska öarna 10-11 augusti och gav stormvindar och mycket stora regnmängder, på vissa håll 100–­150 milli­meter på två dygn. Det motsvarar medelvärdet för en hel augustimånad i dessa trakter. En bra förvarning för ett sådant oväder kan spara liv och stora kostnader för samhället. Bild: ECMWF

Värmeböljan i Västeuropa 29 juni - 5 juli 2015

Västeuropa drabbades sommaren 2015 av en kraftig värmebölja som varade i en vecka, med temperaturer upp till 40 grader. Toppnoteringarna låg närmare 44 grader. Sådana värmeböljor kan vara förödande och många männi­skor dör. Den värsta värmeböljan i Europa i modern tid var i början av augusti 2003, då 35 000–50 000 människor dog av värmen, de flesta i Frankrike. Sedan dess har samhället lärt sig en del om hur man skyddar sig i sådana lägen. Om meteorologerna kan varna i god tid för en sådan värmebölja, kan sannolikt flera tusen liv räddas.

Kartan visar resultatet av en ensembleprognos som gjordes två och en halv vecka innan värmeböljan. Då fanns det inget i prognoserna som antydde att det skulle bli någon särskild värme i Västeuropa. Bild: ECMWF

Kartan visar resultatet av en ensembleprognos som gjordes två och en halv vecka innan värmeböljan. Då fanns det inget i prognoserna som antydde att det skulle bli någon särskild värme i Västeuropa. Bild: ECMWF

I ensembleprognosen som gjordes en och en halv vecka innan ser man att det är en extrem värmebölja på gång i Frankrike och omgivande länder. Bild: ECMWF

I ensembleprognosen som gjordes en och en halv vecka innan ser man att det är en extrem värmebölja på gång i Frankrike och omgivande länder. Bild: ECMWF

I ensembleprognosen som gjordes två veckor innan, visar det röda fältet att det kommer att bli varmare än normalt i Väst­europa. Bild: ECMWF

I ensembleprognosen som gjordes två veckor innan, visar det röda fältet att det kommer att bli varmare än normalt i Väst­europa. Bild: ECMWF

Denna karta visar hur stora de verkliga värmeöverskotten var under perioden 29 juni – 5 juli 2015. I delar av Frankrike, Tyskland och norra Spanien låg medeltemperaturen omkring 10 grader över den normala med toppnoteringar på 40-44 grader. Bild: ECMWF

Denna karta visar hur stora de verkliga värmeöverskotten var under perioden 29 juni – 5 juli 2015. I delar av Frankrike, Tyskland och norra Spanien låg medeltemperaturen omkring 10 grader över den normala med toppnoteringar på 40-44 grader. Bild: ECMWF

Kaos
För att göra bra prognoser krävs modeller som delar in atmosfären i så små delar som möjligt. Här är en bild från en simulering av vindar, där atmosfären är uppdelad i ”boxar” med mellan 3,5 och 10 kilometers sidor. För att få en exakt bild måste boxarna vara nästan oändligt små och oändligt många. Bild: Nasa

För att göra bra prognoser krävs modeller som delar in atmosfären i så små delar som möjligt. Här är en bild från en simulering av vindar, där atmosfären är uppdelad i ”boxar” med mellan 3,5 och 10 kilometers sidor. För att få en exakt bild måste boxarna vara nästan oändligt små och oändligt många. Bild: Nasa

När man på 1950-talet började använda datorer för att göra väderprognoser var vetenskapsmännen mycket optimistiska och trodde att det skulle vara ganska lätt att räkna ut vädret om man bara hade tillräckligt med datorkapacitet. Men snart började man inse att det kanske fanns en gräns för vår förmåga att förutsäga rörelserna i atmosfären.

 

Mannen som lyckades förstå och förklara varför det var så svårt att göra väderprognoser hette Edward Lorenz. Han var meteorolog och matematiker vid Massachusetts Institute of Technology i USA. Där skapade han år 1960 en egen mycket förenklad beräkningsmodell, som han programmerade in i sin primitiva dator. Det fantasiväder som den enkla datorn räknade fram betedde sig på ett sätt som var mycket likt verkligt väder.

 

Edward Lorenz, 1917-2008.

Edward Lorenz, 1917-2008.

Men så en vinterdag år 1961 hände något. Lorenz körde en simulering av en viss väderutveckling, men avbröt den för att ta en kopp kaffe. När han kom tillbaka körde han samma simulering, men avrundade ingångsvärdet till tre istället för sex decimaler.

 

Efter ett tag upptäckte han till sin fasa att prognosen höll på att spåra ur helt. Snart hade den ingen som helst likhet med den beräkning han hade gjort tidigare med sex decimalers noggrannhet. Hans första tanke var att datorn hade havererat, ett mycket rimligt antagande på den tiden. Men det visade sig att han upptäckt kaos.

 

Enkelt uttryckt innebär det alltså att ett system är så extremt beroende av ingångsvärden att det efter en tid kan utvecklas på helt olika sätt om det skiljer en tusendel eller en miljarddel eller ännu mindre. När det handlar om vädret skulle ett exakt ingångsvärde vara att känna till alla jordytans och atmosfärens molekylers tillstånd i ett visst ögonblick – vilket är både praktiskt och teoretiskt omöjligt. Därför är det en utmaning för meteorologer att hitta en modell som är tillräckligt bra för att förutsäga vädrets utveckling med bristfälliga ingångsvärden.

Material från
Allt om Vetenskap nr 8 - 2017

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter