Numeriske modeller

Tre bruk

Værvarsling er et startverdiproblem. Tidsskalaen er timer til om lag to uker. Små feil i starttilstanden vokser raskt. Det kalles kaos (Lorenz, 1963). Derfor investerer varslingssentre mer i observasjoner og assimilering enn i å bare kjøre modellen lenger.

Havmodellering styres sterkt av randen fra atmosfæren, og av tetthet: temperatur og saltholdighet. Tidsskalaen er timer til uker, men også sesong og klima. Vann er tregere enn luft. Et feilaktig blandelag kan sitte i uker.

Klimaforskning er et randverdiproblem. Tidsskalaen er tiår til århundrer. Pådriv styrer: drivhusgasser, aerosoler, sol, vulkaner. Prediksjonen er statistikken: middel, varians, ekstremfordelinger. Ikke været 12. juni 2087. Vi kan si noe robust om klimaet i 2080 uten å varsle været den 3. mars 2080.

Grid og parametrisering

Atmosfæren og havet deles i et tredimensjonalt rutenett. Avstanden mellom punktene er oppløsningen. En prosess som er mindre enn et par gridceller, kan ikke løses eksplisitt. Den må parametriseres: en forenklet beskrivelse av det som er for lite eller for komplekst, som funksjon av det modellen faktisk løser. Skyer, konveksjon, turbulens og stråling i skyer er slike ledd.

Operasjonell oppløsning: ECMWF globalt på rundt 9 km (ECMWF, u.å.). MEPS og AROME-Arctic 2,5 km. Norkyst 800 m. Finere rutenett løser ikke alt. Det gir bedre topografi, kystlinje og konveksjon, men krever bedre initialdata, bedre fysikk og langt mer regnekraft. En halvering av gridavstand gir omtrent åtte ganger mer regning i 3D, pluss kortere tidssteg.

Når oppløsningen blir fin nok til at dyp konveksjon løses eksplisitt, som i MEPS, skrus den konvektive parametriseringen av eller kraftig ned. Bedre grid gir annen fysikk, nye feilkilder og ny validering.

Dataassimilering og ensemble

Observasjoner er ujevnt fordelt. De har ulike feil, og kommer fra satellitt, radar, fly, skip, bøyer, radiosonder og bakkestasjoner. Dataassimilering blander observasjonene inn i modellen, vektet etter hvor mye vi stoler på hver av dem. Uten assimilering ville et værvarsel glemme virkeligheten i løpet av dager. Med assimilering blir hver ny syklus en korreksjon. Derfor kan korttidsvarsler oppdateres hver time.

Atmosfæren er deterministisk og kaotisk. To starttilstander som er umulig å skille med dagens observasjoner, kan gi vesentlig ulikt vær etter en uke. Ett deterministisk varsel gir falsk presisjon.

Et ensemble er mange nesten like kjøringer. Spredningen kartlegger usikkerheten. Ligger medlemmene tett: høy tillit. Spriker de: lav tillit, for eksempel et lavtrykk som kan ta sørlig eller nordlig bane. «30 % sjanse for mer enn 20 mm» er andelen ensemblemedlemmer over en terskel, ofte kalibrert mot historikk. Ikke gjetting.

Den praktiske prediksjonsgrensen for synoptisk vær er typisk 7–10 døgn, i gode tilfeller mot 15. Klima er ikke langtidsvær. Klima er fordelingen av vær over 30 år. Pådrivet forskyver den fordelingen.

Norge

MEPS er den regionale modellen for Norden, 2,5 km, 30 medlemmer, ut til ca. 66 timer (MET, u.å.). AROME-Arctic er 2,5 km over Arktis, brukt for Svalbard og nordlige havområder. ECMWF er det globale systemet, ca. 9 km, ut til 15 døgn. Norkyst er kysthavmodellen, 800 m, 40 lag, 120-timers varsel.

På yr.no dekkes de første ca. 60 timene over Norden av MEPS, Arktis av AROME-Arctic, og 2–10 døgn av ECMWF-ensemble (MET, u.å.). Når varslet svinger fra dag til dag på dag 7–9, er det ensemblets spredning du ser.

Norkyst drives av vind og trykk fra den regionale atmosfæremodellen. Bruk: oljevern, search-and-rescue, lakselus, skipstrafikk. Havet er både kilde til prediktabilitet på sesong, og kilde til usikkerhet i klima.

Tall og vurderinger bygger på IPCC AR6 (IPCC, 2021). Syvende hovedrapport er ikke publisert.

Viktige begreper

Grid

Avstand mellom beregningspunktene. Finere gir mer detalj, koster mer regnekraft.

Parametrisering

Forenklet beskrivelse av prosesser som er for små eller for komplekse til å løses eksplisitt.

Dataassimilering

Observasjoner blandes inn for en bedre starttilstand.

Ensemble

Mange nesten like kjøringer som kartlegger usikkerhet.