Het gebruik van observaties in weermodellen

Observaties zijn van groot belang voor een goede weersverwachting. Ze zijn ook onmisbaar voor de begintoestand van een weermodel. Die begintoestand beschrijft de huidige toestand van het weer. Hij vormt het vertrekpunt voor een nieuwe voorspelling. Hoe preciezer de begintoestand van het weermodel, hoe correcter de voorspelling. Daarom noemen we het weer voorspellen een ‘beginwaardenprobleem’.

Meetinstrumenten

Een weermodel beschrijft het weer aan de hand van een vijftal variabelen: temperatuur, windrichting, windsnelheid, luchtdruk en specifieke vochtigheid. Andere parameters zoals neerslag of bewolking worden hieruit afgeleid. De waarden ervan halen we uit observaties:

Observatietypes

Soorten observaties (ECMWF, Observations)

  • Weerstations aan de grond, op boeien en op schepen meten vochtigheid, temperatuur, luchtdruk, windsnelheid, windrichting en neerslag.
  • Radiosondes aan weerballonnen meten diezelfde gegevens op verschillende hoogtes.
  • Sensoren op vliegtuigen voeren metingen uit op verschillende hoogtes tijdens het opstijgen en landen.
  • Satellieten meten elektromagnetische straling. Dit geeft informatie over temperatuur, vochtigheid en bewolking.
  • Neerslagradars meten de neerslag via radiogolven.
  • Vaste GPS-stations meten de hoeveelheid waterdamp via de vertragingen op de signalen.

Wellicht ben je ook geïnteresseerd:

Kwaliteitscontrole waarnemingen

Voordat waarnemingen bruikbaar zijn voor het weermodel, moeten we ze bewerken:

  • Metingen omzetten: bv. de straling van een satelliet omzetten naar temperatuur- of vochtigheidsprofielen.
  • Fouten uitfilteren: bv. een observatie die te sterk afwijkt van omliggende metingen als foutief markeren.
  • Systematische fouten corrigeren: bv. een satelliet die de temperatuur altijd 2°C te warm inschat. Dit heet een bias.

Merk ook op: een observatie staat niet gelijk aan de realiteit. Het is slechts een steekproef hiervan. Er kunnen allerlei fouten in sluipen, zoals meetfouten of omzettingsfouten.

Kwaliteitscontrole

Als een observatie te hard afwijkt, wordt hij weggelaten. (Annelies Duerinckx)

Te weinig observaties

Na de kwaliteitscontrole gebruiken we de observaties om een begintoestand te maken. Daarvoor zijn er heel veel observaties nodig. Kijken we even naar het Belgische weermodel ALARO. Het domein ervan is opgedeeld in 32 761 gridboxen met een breedte van 4km. Ook kent het model 48 lagen in de hoogte. Elke laag bestaat opnieuw uit ruim 30 000 gridboxen. Dat geeft in totaal 1 605 289 gridboxen.

Voor elke gridbox moeten we minstens vijf parameters kennen. We hebben dus minstens 8 miljoen metingen nodig. In realiteit hebben we er slechts 1 miljoen. We komen er dus 7 miljoen te kort!

Een weermodel werkt met een vast grid van vakjes. De observaties daarentegen zijn kriskras verspreid over België. Daardoor hebben we niet in elk gridpunt een observatie. Andere plaatsen beschikken dan weer over heel veel metingen in één gridbox. Hier moeten we observaties weggooien of uitmiddelen. Dit is bijvoorbeeld het geval in de buurt van een luchthaven.

Mismatch tussen grid en observaties

Het weermodel is opgedeeld in een grid van vakjes. De observaties zijn random over België verspreid. (PhD presentatie, Duerinckx)

Een vorige voorspelling als eerste gok

Het tekort aan observaties vangen we op door middel van een vorige voorspelling. Deze doet dienst als eerste gok voor de begintoestand. De oude voorspelling geeft een beginwaarde voor de vijf variabelen in de anderhalf miljoen gridboxen van het domein. Daar voegen we de observaties aan toe. Via statistiek maken we een optimale combinatie van de voorspelling en de observaties. Het resultaat is een begintoestand die zo juist mogelijk de huidige weersituatie beschrijft. Dit proces heet data-assimilatie. Hoe juister de begintoestand, hoe beter de voorspelling.

Het data-assimilatie proces

Een schema van het data-assimilatie proces. (Annelies Duerinckx)

Natuurlijke evenwichten

Nu we een begintoestand hebben, is er nog één belangrijke stap. Het evenwicht van de atmosfeer in ons model moet hersteld worden. Dat kan verloren gaan doordat observaties kleine afwijkingen bevatten, zelfs na een grondige controle. Enkele voorbeelden van evenwichten: er kunnen enkel ijskristallen zijn als het koud genoeg is. Er kan enkel neerslag vormen als er voldoende vochtigheid is. En er is enkel wind als er een verschil in luchtdruk is. Wanneer de begintoestand uit evenwicht is, raakt het model in de war. Dit verslechtert de voorspelling.

Natuurlijke evenwichten in weermodellen

De evenwichten moeten gerespecteerd worden in een begintoestand. (KMI, pozible)


Lees ook eens: