MiK, WYKŁAD 3, 11.03.2011r.
Meteorologia synoptyczna - nauka, która bada prawidłowości rozwoju procesów atmosferycznych związanych z przewidywaniem pogody. Nauka o pogodzie i jej przewidywaniu (Zwieriew 1965)
Etapy rozwoju meteorologii synoptycznej
początki w połowie XIX w. po wojnie krymskiej, w czasie której wydarzyła się katastrofa na Morzu Czarnym (zatopienie okrętów połączonej floty angielsko francuskiej w czasie gwałtownego sztormu w Zatoce Bałakława 14 listopada 1854 roku). Zaczęto wymieniać komunikaty meteorologiczne drogą telegraficzną - została zapoczątkowana międzynarodowa informacja meteorologiczna.
1860 służba informacji sztormowych w Holandii, później w Anglii i we Francji, w 1870 powołanie służby meteorologicznej w USA )prognozy pogody od 1873), 1872 służby meteorologiczne w Niemczech, od 1872 roku zaczęto wydawać w Rosji „Codzienny biuletyn pogody”.
sformułowanie falowej teorii niżów, wykrycie struktur frontowych w niżach pozazwrotnikowych, i wprowadzanie w latach 1920-30 do praktyczki synoptycznej analizy frontów atmosferycznych.
wprowadzenie analizy górnych map pogody (głównie map temperatury i topografii powierzchni izobarycznych) do praktyki synoptycznej w latach 1930-40.
Powierzchnie izobaryczne to powierzchnie o jednakowej wartości ciśnienia w atmosferze, opis ukształtowania tej powierzchni nosi nazwę topografii barycznej.
Mapa synoptyczna (mapa pogody) - fizyczna mapa geograficzna, na której za pomocą umownych symboli międzynarodowych, cyfr i linii przedstawione są stosunki pogodowe panujące w danym momencie nad danym obszarem (Woś 2006)
zastosowania danych z satelitów meteorologicznych w ostatnich 40-50 latach
wykorzystanie numerycznych meteorologicznych prognozowania w 40-50 latach
Numeryczna prognoza pogody
Prognoza stanu atmosfery uzyskana za pomocą rozwiązania określonego układu równań, stanowiącego tw. Model atmosfery
Startując z warunku początkowego, uzyskanego na podstawie analizy stanu atmosfery, rozwiązuje się układ równań (model matematyczny) opisujący procesy dynamiczne i termodynamiczne w atmosferze
Historia NWP
- pierwsze próby zastosowania równań mechaniki płynów do opisu utworzonych wcześniej pól meteorologicznych (ziemia podzielona na kwadraty)
- kolejna próba L.F. Richardson brytyjski fizyk, pracownik szkockiego biura meteorologicznego rozwiązał skomplikowany układ równań różniczkowych opisujących zmiany w atmosferze w sposób przybliżony, zastępując równania różniczkowe równaniami różnicowymi. Obszar atmosfery nad Eu. Zach. Podzielił na jednakowe regularne kostki i na podstawie danych pomiarowych z rozłożonych nierównie stacji pomiarowych w każdym z pól wyznaczył przez interpolację danych początkowe wartości ciśnienia, temperatury kierunek i prędkość wiatru.
…
Praca Richarda wyprzedziła współczesne mu czasu.
-zastępując równania różniczkowe równaniami różnicowymi autor nie znam kilku warunków matematycznych, jakie powinny spełniać jego pola podstawowe oraz kroki obliczeniowe
- dysponował zbyt małą ilością danych i nie przeprowadził ich asymilacji
- brak mocy obliczeniowych.
pierwsze poprawne numeryczne prognozy pogody powstały w latach 50. Amerykański meteorolog Jule Charney stworzył model matematyczny i wraz z amerykańskich matematykiem Johnem von Neumannem przeprowadził obliczenia …
przełomowe dla meteorologii i dla przyrodniczych okazało się odkrycie Edwarda Lorenza. Od 1960 r. Lorenz pracował nad komp. Prognozowaniem pogody i stwierdził, że min. Różnica wartości początkowych daje bardzo duże różnice w wynikach końcowych.
Badania Lorenza doprowadziły do sformułowania teorii chaosu deterministycznego która stała się - obok teorii względności i teorii mechaniki kwantowej - jedną z największych rewolucji w nauce XX wieku.
Trzepot skrzydeł motyla w amazońskiej puszczy może wywołać tornado w Teksasie.
Jak powstaje numeryczna prognoza pogody?
Numeryczny model prognostyczny
Matematyczny model Mateo, czyli zamknięty układ równań opisujących zjawiska fizyczne w atmosferze
Algorytmy numerycznego rozwiązania równań modelu matematycznego
Program komputerowy, czyli kod, który pozwala na uzyskanie rozwiązania na konkretnym superkomputerze.
Pierwszym zabiegiem jest asymilacja danych meteorologicznych, czyli przetwarzanie danych pomiarowych (rzecz ) na wysokiej rozdzielności pola parametrów (pola analizy), wstępna interpolacja danych i uzgodnienie ich z równaniami modelu nazywa się inicjacją modelu.
Skala przestrzenna prognoz numerycznych:
Modele globalne (…)
Modele mezoskalowe (rozdzielność kilku-kilkunastu kilometrów)
Prognozy numeryczne w Polsce
Formułowane są przede wszystkim przez IMGW
Od 2001 r. w Ośrodku Głównym IMGW w Wawie pracuje w trybie operacyjnym model LM COSMO, pozyskany i uruchomiony dzięki
…
Drugim modelem adaptowanym w Polsce dla osłony hydrograficzno meteo kraju jest ALADIN. Obejmuje on dwa modele: globalny IFS, rozwijany i eksploatowany przez Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych oraz regionalny Arpege, rozwijany i eksploatowany przez Meteo- …
Prognozy numeryczne w Polsce opracowuje także interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego
ICM korzysta z modelu numerycznego UM PL opracowanego w wielkiej Brytanii i stosowanego …
Najczęstsze błędy modeli na Półkuli Północnej
zaniżona energia kinetyczna Rychów wirowych we wszystkich skalach (15-30%) nieoszacowany rozwój niżów nad Atlantykiem
zaniżona aktywność synoptyczna w regionach polarnych w zimie
zaniżona częstość „blokowych” sytuacji z Wyżem Azorskim rozbudowanym na północny wschód (lato, zima)
zaistniały zbyt silny prąd strumieniowy (szczególnie nad Pacyfikiem)
Weryfikacja prognoz
- błąd średni prognozy - odchylenie ME = pierwiastek z …
- pierwiastek średniego błędu kwadratowego
- średni błąd …
Przyszłość meteorologii synoptycznej - wyzwania i problemy do rozwiązania
asymilacja danych: podobna skala problemy obecnie, jak za czasów pionierów prognozowania numerycznego
stały rozdźwięk pomiędzy możliwościami komputerów, a potrzebami prognostyków
adaptowanie nowych technologii przez synoptyków i ich odbiorców
rozszerzenie zakresu prognoz i ich dywersyfikacja
prognozowanie długoterminowe
„Polska leży w strefie klimatu umiarkowanego …”