Computers; Chaos wordt meetbaar

Computers voorspellen het weer steeds beter, maar nog lang niet perfect. Onweer willen ze wel eens over het hoofd zien. Meteorologen van vlees en bloed blijven dus nodig.

BIJNA DAGELIJKS speelde zich voor de weerkaarten een verhitte strijd af tussen meteoroloog en computermodelbouwers. De modelbouwers waren trots als de verwachting enigszins leek op wat de atmosfeer ons later voorschotelde, onnauwkeurigheden van honderden kilometers werden op de koop toe genomen. De meteorologen wezen hen er dan op dat de verwachting daarmee voor Nederland geheel onbruikbaar was. Ten tijde van deze discussies, in de tweede helft van de jaren zeventig, gingen er al stemmen op die beweerden dat de meteoroloog spoedig overbodig zou zijn en de computer het heft in handen zou nemen.

Twintig jaar later zien we dat de kwaliteit van de computerverwachtingen enorm is verbeterd. De rol van de meteoroloog verandert daardoor snel, maar zijn kennis is zeker voor de korte-termijnverwachtingen nog steeds van grote waarde.

De komst van echte computers na de Tweede Wereldoorlog maakte de weg vrij voor het numeriek berekenen van de atmosferische toestand. De eerste resultaten waren nog niet erg bruikbaar voor de dagelijkse weersverwachting. De berekeningen werden en worden nog steeds uitgevoerd op een rooster van punten dat geleidelijk aan de hele wereldkaart is gaan omvatten, een grid. De beperkte rekencapaciteit van de computers maakte dat de afstand tussen de gridpunten aanvankelijk groot was: enkele honderden kilometers. Ook de tijdstappen waren nog heel groot. Overgangen van land naar zee en gebergtes, die grote invloed op de weersystemen hebben, konden niet goed worden weergegeven.

Een aantal Europese landen heeft zo'n 20 jaar geleden de handen ineengeslagen en het ECMWF opgericht, het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. Doel was en is te komen tot betrouwbare verwachtingen voor de middellange termijn: zo'n 5 tot 10 dagen vooruit. De steeds snellere computers, gekoppeld aan een beter begrip van de natuurkundige processen die zich in de atmosfeer afspelen, hebben de verwachtingskwaliteit sterk verbeterd. Het huidige model kent een gridpuntafstand wereldwijd van 60 kilometer en tussen het oppervlak van de aarde en de top van de atmosfeer, op een hoogte van 30 kilometer, liggen 31 lagen. Het model maakt zo een verwachting voor wind, temperatuur en vochtigheid tot 240 uur vooruit op 4.154.868 punten in de atmosfeer.

In de afgelopen jaren zijn in heel wat landen regionale weermodellen ontwikkeld, die de resultaten van de globale modellen als input gebruiken. Deze modellen hebben vaak gridpuntafstanden van slechts 15 kilometer. De praktijk leert dat deze verfijnde modellen in goed voorspelbare grootschalige situaties uitstekend in staat zijn de lokale verschillen weer te geven, maar nog steeds de plank flink kunnen misslaan voor wat betreft de grootschalige ontwikkeling zelf. Ook in de afgelopen maanden waren de situaties niet op de vingers van één hand te tellen waarin de modellen er volledig naast zaten. De onweersbuien bijvoorbeeld, die aan het begin van deze week, in de nacht van zondag op maandag, over Nederland trokken, hadden ze niet voorzien.

Voor de laatste jaren van deze eeuw en de eerste van de volgende springt een tweetal ontwikkelingen in het oog: 'ensemble-verwachtingen' en de statistische interpretatie van verwachtingen.

Door de snel toegenomen rekenmogelijkheden van de supercomputers is het nu mogelijk de modellen in luttele minuten wereldwijd tot 10 dagen vooruit door te rekenen. Om de betrouwbaarheid daarvan te meten, worden in de begintoestand, die uitgaat van een optimale analyse, kleine veranderingen aangebracht. In de meteorologie noemen we dit ensembleverwachtingen. De veranderingen worden daar aangebracht waar ze de grootste invloed op de weerpatronen kunnen hebben. Op het ECMWF wordt hiervoor een model met een gridpuntafstand van 120 kilometer gebruikt, dat met deze kleine veranderingen enkele tientallen keren tot 10 dagen vooruitrekent.

Wanneer de veranderingen in de begintoestand weinig invloed hebben op het resultaat blijkt de verwachting betrouwbaarder te zijn dan als dit wel zo is. De chaos die van nature in de dampkring heerst, maakt dat het weer principieel niet oneindig ver vooruit voorspelbaar is. Door de werking van de chaos kunnen de verwachtingen al na twee of drie dagen zeer ver uit elkaar lopen. De ensembletechniek maakt het mogelijk de potentiële chaos van tevoren te kwantificeren en zo een kwaliteitslabel aan iedere verwachting te hangen. Vaak kunnen periodes van hoge en lage voorspelbaarheid enkele weken duren.

Meteo Consult doet veel onderzoek naar de vertaling van de modelberekeningen in 'weer' met behulp van statistische technieken. In deze MOS-verwachtingen (Model Output Statistics) worden voor een groot aantal (circa 70) elementen en kansen de modelberekeningen en daaruit afgeleide parameters gekoppeld aan de opgetreden waarden. We vergelijken dus de modelberekeningen met hoe het weer werkelijk was. Daarvoor worden de dagelijkse modelberekeningen en metingen van de afgelopen jaren gebruikt. Zo kan voor iedere plaats, voor ieder element en voor iedere verwachtingstermijn de beste koppeling worden berekend. Hoe verder de verwachtingstijd in de toekomst ligt, des temeer zullen grootschalige weerparameters een belangrijke rol in de verwachtingen spelen.

Op de korte termijn zijn de modellen vaak wel goed in staat een gedetailleerde temperatuur- en neerslagverwachting te berekenen. Meteo Consult maakt de berekeningen voor meer dan 1.500 plaatsen in Europa. De verwachting gaat met stapjes van 3 uur tot 60 uur vooruit, daarna met stapjes van 6 uur tot 108 uur en vervolgens met stappen van 12 uur tot 240 uur vooruit. Iedere drie uur, en voor Nederland zelfs ieder uur, wordt de verwachting geactualiseerd aan de hand van de nieuwste weermetingen. In de komende maanden wordt het MOS-systeem operationeel ingevoerd. De resultaten uit de huidige testfase zijn verrassend goed. Tot vier dagen vooruit is de gemiddelde fout niet groter dan twee graden Celsius en tot zeker zes of zeven dagen vooruit is de verwachting nog zeer bruikbaar.

De mogelijkheid om voor zeer veel plaatsen de verwachting frequent en met grote betrouwbaarheid door te rekenen, verandert het toekomstbeeld van de meteoroloog. Hij zal nauwelijks nog invloed hebben op de verwachtingen voor meer dan 24 tot 36 uur vooruit. Wel is zijn specifieke kennis van belang voor korte-termijnverwachtingen, vooral in die situaties waarvan het bekend is dat de computerberekeningen het laten afweten. Bijvoorbeeld bij zwaar onweer, felle kleinschalige stormen en gladheid. Overbodig wordt de meteoroloog allerminst, in veel gevallen zullen er juist hogere eisen aan hem worden gesteld. Dit betreft zowel het inzicht in weersontwikkelingen op de korte termijn en beperkingen van de modellen als stressbestendigheid.

Ruim 20 jaar geleden kwam ik terecht in de meteorologie. De ontwikkelingen in die 20 jaar zijn enorm en maken het vakgebied uitermate interessant. Perfect zal de weersverwachting nooit worden, de charme van een flinke misser blijft gehandhaafd. Het humeur hoeft er niet onder te lijden: weer ondergaan is vaak genieten van wat de natuur ons te bieden heeft. Wat is heerlijker dan in de winter 's ochtends vroeg wakker te worden om te ontdekken dat er een pak sneeuw gevallen is of om (vanavond?) met een flesje bier op het balkon te zitten en naar een naderend onweer te kijken?