Jak przewidujemy pogodę?

Modele numeryczne to programy komputerowe, które na podstawie danych mogą przewidzieć pogodę na całym świecie, w tym najnowszy niż genueński. W tym celu programy rozwiązują skomplikowane równania matematyczne. Istnieją różne wariacje tych modeli, dające duże możliwości opisu pogody – wyjaśnił ekspert IMGW Piotr Szuster.

Najbardziej optymalne modele globalne w prognozowaniu pogody nad Europą

.Nad Polską przetoczył się niż genueński, który spowodował intensywne opady deszczu. W ich wyniku doszło do lokalnych podtopień, a także strat w uprawach. Anomalie pogodowe stają się normą. Tym bardziej potrzebne są precyzyjne prognozy pogody.

Do opisu pogody i przewidywania zjawisk meteorolodzy posługują się modelami numerycznymi. Są to programy komputerowe, które na podstawie aktualnych danych o atmosferze (jej „fotografii”) obliczają, jak będzie się ona zmieniała w przyszłości. Programy rozwiązują skomplikowane równania matematyczne – równania różniczkowe, dzięki którym meteorolodzy mogą przewidzieć pogodę na całym świecie. Z każdym rokiem modele te są coraz doskonalsze.

Piotr Szuster, członek zarządu stowarzyszenia Skywarn Polska, które prowadzi serwis „Polscy Łowcy Burz”, a jednocześnie starszy specjalista Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju IMGW-PIB, powiedział, że takich modeli jest wiele; istnieją wręcz ich różne wariacje, dające szeroką możliwość opisu zjawisk pogodowych.

– Można stosować również siatki obliczeniowe o różnych rozdzielczościach, zawierające węzły, na podstawie których można poznać wyniki pogodowe i odpowiednio je interpretować – dodał ekspert.

Modele numeryczne dzielą się na globalne i lokalne. – Globalne modele pokrywają całą Ziemię, mają siatki o rozdzielczościach określonych w stopniach. Natomiast modele lokalne, nazywane mezoskalowymi, posiadają gęstsze siatki o rozdzielczości kilometrów. W przypadkach bardzo dokładnych siatek są to rozdzielczości rzędu setek metrów, które pozwalają dużo dokładniej odwzorować zmienność różnego rodzaju parametrów, takich jak np. suma opadu deszczu – wskazał Piotr Szuster.

W jego ocenie model ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) ma najlepszą sprawdzalność. – To on wykorzystywany jest zazwyczaj do prognozowania pogody na okres do 10 dni, a jego wyniki są regularnie aktualizowane – zaznaczył specjalista.

Dodał także, że model ICON (Icosahedral Nonhydrostatic) również cechuje się wysoką sprawdzalnością. Wykorzystuje on równania opisujące ruch powietrza w atmosferze do obliczania prognoz pogody, dzięki czemu stają się one bardziej szczegółowe, szczególnie na mniejszych obszarach, jak Europa Środkowa.

– To są modele, które obecnie uważane są za najbardziej optymalne modele globalne w prognozowaniu pogody nad Europą – wskazał.

Niż genueński w Polsce. Przyczyny

.Dane zawarte w modelach numerycznych można podzielić na źródłowe i wynikowe.

– Te pierwsze są kluczowe, ponieważ to od nich rozpoczyna się praca modelu numerycznego – na ich podstawie model zaczyna swoje obliczenia oraz tworzy prognozę. Bez danych źródłowych model nie mógłby działać poprawnie. Pochodzą one z sieci pomiarowo-obserwacyjnych, takich jak stacje synoptyczne, posterunki opadowe czy obserwacje aerologiczne, z których czerpie się pomiary stanu atmosfery wykonywane na różnych wysokościach nad powierzchnią Ziemi. Do inicjalizacji, czyli przygotowywania danych początkowych do modeli numerycznych, wykorzystuje się ponadto zobrazowania satelitarne lub dane radarowe – wytłumaczył Szuster.

Dodał, że pozwalają one dokładnie zobrazować np. zawartość pary wodnej w atmosferze. Dane radarowe są bardzo dokładne pod względem miejsca pomiaru, są zbierane praktycznie cały czas i na szerokim obszarze, dzięki czemu jest do nich ciągły i szeroki dostęp; jest też możliwość podglądu np. natężenia opadów oraz ich rozkładu.

– Natomiast dane wynikowe stanowią szereg różnego rodzaju parametrów. Zaliczyć do nich można: opad deszczu, temperaturę minimalną, maksymalną bądź średnią, porywy wiatru, prędkość i jego kierunek, opady deszczu czy natężenie promieniowania słonecznego. Są one rezultatem obliczeń modeli – tłumaczył specjalista.

Może również tak się zdarzyć, że modele numeryczne i prognozy pogody będą przedstawiać inne wyniki. Szuster wyjaśnił, że w takich przypadkach korzysta się z prognoz wiązkowych, które pokazują kilka możliwych wariantów pogody. Dzięki temu, mimo rozbieżności między wynikami, można lepiej zrozumieć różne scenariusze. Pracując na większej liczbie danych i stosując statystykę, można wybrać ten najbardziej prawdopodobny scenariusz.

PAP zapytała także o zastosowanie sztucznej inteligencji w modelach numerycznych do prognozowania pogody. Specjalista wyjaśnił, że powstają już modele wykorzystujące tzw. uczenie maszynowe.

– Jest to dynamicznie rozwijająca się dziedzina w meteorologii. Dzięki modelowi numerycznej prognozy pogody, który jest oparty o metodę uczenia maszynowego można dużo szybciej dostać wyniki do interpretacji, a później zweryfikować je z klasycznym podejściem; w ten sposób można uzyskać jeszcze lepszy wgląd w sytuację pogodową – powiedział Piotr Szuster. 

Las wiatraków

Lasy Państwowe zamierzają postawić w lasach w całej Polsce 2,5 tys. turbin wiatrowych do produkcji energii elektrycznej. Będą to duże systemy o mocy zainstalowanej 6-7 MW każdy. Ich maszty będą miały wysokość 250 m, same wiatraki będą pracować 50 m nad koronami drzew. W trzech nadleśnictwach powstaną pilotażowe farmy mające do dziesięciu takich turbin każda. Inwestycje są realizowane w ramach projektu „Las Energii”, zainicjowanego przez Lasy Państwowe jeszcze w 2021 r.

W 2021 r., jeszcze za rządów PiS, w Lasach Państwowych zainicjowano projekt rozwojowy „Las Energii”. Jego deklarowanym celem jest przeciwdziałanie zmianom klimatu poprzez redukcję emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Ma to się odbyć poprzez produkcję energii ze źródeł odnawialnych (OZE) i doprowadzenie do samowystarczalności energetycznej Lasów Państwowych. Nie jest to pierwszy romans LP z OZE, bo wcześniej, w latach 2017–2020 realizowano projekt „Odnawialne źródła energii podstawą zaopatrzenia w energię elektryczną budynków i środków transportu PGL Lasy Państwowe”. W jego ramach przeprowadzono termomodernizacje budynków LP, ale także zakupiono flotę drogich samochodów elektrycznych, nieprzeznaczonych do jazdy w terenie. Spotkało się to z głosami krytyki, szczególnie jeśli chodzi o koszty. W ramach projektu „Las Energii” LP rozbudowują flotę samochodów elektrycznych, w tej chwili użytkują ich już kilkadziesiąt. Planowana jest także budowa ponad czterystu stacji ładowania, a także farm wiatrowych i fotowoltaicznych. W 2023 r. produkcja energii we własnych instalacjach LP, przede wszystkim fotowoltaicznych, wyniosła 3,3 GWh.

Zgodnie z porozumieniem paryskim Polska musi wypełniać cele międzynarodowej polityki klimatycznej. Istotnym elementem tzw. budżetu węglowego kraju jest wielkość pochłaniania węgla przez polskie lasy. Niestety, najnowsze wyniki inwentaryzacji lasów wskazują, że możliwości lasów pod tym względem maleją i już niedługo z pochłaniacza węgla staną się one jego emitentem netto. Użycie gruntów leśnych jako lokalizacji dla farm wiatrowych jest pomysłem na alternatywny sposób, w jaki lasy mogłyby się przyczynić do osiągania celów polityki klimatycznej. Szacunki LP mówią, że 1 ha lasu jest w stanie pochłonąć 5 ton CO₂ w ciągu roku, a jedna turbina wiatrowa pozwala uniknąć rocznie takiej emisji, jaka musiałaby być pochłaniana przez ok. 2,5 tysiąca hektarów lasów przez 12 miesięcy.

Pierwszy projekt pilotażowy energii wiatrowej ma doprowadzić do zainstalowania w lasach 240 MW mocy. Docelowo mówi się o 2,5 tysiąca turbin wiatrowych o mocy 6-7,2 MW każda, co dałoby moc zainstalowaną 15-18 GW. Projekt ma być realizowany z firmą Eurowind Energy, instalowane mają być wiatraki produkcji Vestas lub Siemens Gamesa.

Turbina wiatrowa o mocy podobnej do planowanych w polskich lasach ma spore rozmiary. Pojedyncza łopata ma ponad 75 metrów długości i waży 25 ton. Gondola z generatorem, przekładniami i serwomechanizmem kierunkującym waży przynajmniej 130 ton. Jest ona zawieszona na wieży o wysokości 250 m. Turbiny wiatrowe instalowane na terenach leśnych mają szczególnie wysokie wieże, gdyż wirniki muszą pracować znacznie ponad koronami drzew.

W systemach o mocy planowanej do instalacji w Lasach Państwowych całkowita masa turbiny sięga 1,5 kilotony. Jest ona zbudowana w około 80 proc. ze stali, reszta to polimery zbrojone włóknami węglowymi i szklanymi, aluminium, miedź oraz płyny i smary. Fundament jest zwykle okrągły lub ośmiokątny, o średnicy 25-35 m, z betonu zbrojonego. Trzeba nań zużyć 4 do 6 tysięcy metrów sześciennych betonu, może ważyć od 9 do 14 kiloton. Na słabszych glebach stosuje się dodatkowe pale wspierające.

Poza zestawem turbin typowa lądowa farma wiatrowa wymaga szeregu dodatkowych inwestycji. Budowane są drogi dojazdowe do transportu elementów turbin, ciężkich maszyn i sprzętu konserwacyjnego, a także wzmocnione platformy pod dźwigi w bezpośredniej bliskości wieży. Infrastruktura elektryczna składa się z lokalnej podstacji transformatorowej, kabli podziemnych oraz linii wysokiego napięcia łączących z siecią energetyczną. Instalowane są też systemy sterujące turbinami oraz stacje meteorologiczne mierzące prędkość wiatru, kierunek, temperaturę i inne czynniki środowiskowe, używane do optymalizacji wydajności turbin.

Pogodę można przewidzieć na maksymalnie 129 dni

Jeśli udałoby się spełnić idealne warunki, pogodę można prognozować maksymalnie na okres129 dni, z 7-dniowym marginesem – sugerują naukowcy. To teoretyczna, nieprzekraczalna granica, która wynika z energetyki atmosfery.

Choć metody przewidywania pogody są coraz doskonalsze, nadal obarczone są niemałym błędem. Dokładne prognozy obejmują tak naprawdę zaledwie kilka dni. Autorzy nowej pracy opublikowanej w magazynie „Advances in Atmospheric Sciences” postanowili jednak określić teoretyczny, maksymalny okres, na jaki na Ziemi można wykonać prognozę pogody.

Jak zwracają uwagę, wcześniejsze próby określenia granicy przewidywalności koncentrowały się głównie na analizie tego, jak niewielkie błędy prognoz, narastają wraz z czasem. Jednak zdaniem naukowców jest to obecnie zadanie niewykonalne.

„Jak możemy twierdzić, że jesteśmy w stanie tworzyć trafne prognozy pogody z bardzo dużym wyprzedzeniem, skoro nie potrafimy tego faktycznie wykazać? Niestety nie mamy żadnych danych obserwacyjnych, podstaw teoretycznych ani doświadczeń z modelowania, które pokazywałyby, jak mogą zachowywać się błędy mniejsze niż te występujące w dzisiejszych prognozach” – mówi dr Wei Zhan z University of Miami and the NOAA Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies (CIMAS).

„Postanowiliśmy sprawdzić, czy na ten odwieczny problem można spojrzeć z zupełnie innej perspektywy. Nasze pytanie brzmiało »Czy istnieje radykalnie odmienne, nowe podejście do odwiecznych pytań dotyczących przewidywalności?«” – tłumaczy dr Zoltan Toth z NOAA.

Badacze założyli, że dostępne są idealne warunki, w których dokładnie znany byłby początkowy stan atmosfery, rządzące nią procesy oraz wszystkie przyszłe warunki brzegowe w skali makro. W tych warunkach określili następujący problem: jaka byłaby ostateczna granica przewidywania pogody, o ile w ogóle taka istnieje?

Aby go rozwiązać, zajęli się podstawami, czyli procesami energetycznymi, które zachodzą w atmosferze. Według ekspertów, gdyby początkowy stan atmosfery faktycznie był dokładnie znany, wiedza ta zostałaby zachowana przez równie dokładnie znaną dynamikę atmosfery, co z kolei pozwalałoby w nieskończoność tworzyć doskonałe prognozy. Dodają, że jedynym wyjątkiem jest niepewność na poziomie kwantowym, wprowadzana do atmosfery przez fazę fotonów w nieustannie docierającym promieniowaniu słonecznym, którą badacze uznali za nieznaną.

Analizując obieg energii w atmosferze naukowcy wyszli z założenia, że to promieniowanie słoneczne ostatecznie napędza wszystkie zachodzące w niej ruchy, a jego energia prędzej czy później dociera do każdej cząsteczki. I uznali, że zanim energia słoneczna dotrze do wszystkich części atmosfery, niepewność związana z nieznaną fazą napływających fotonów musi zatrzeć wszelką „pamięć” o stanie początkowym, która w przeciwnym razie zostałaby zachowana na zawsze. 

Innymi słowy, po upływie pewnego czasu, nazwanego przez badaczy „punktem wymiany energii”, przewidywanie staje się niemożliwe.

Po uwzględnieniu całkowitej energii atmosfery, docierającego do planety promieniowania słonecznego oraz niepewności związanej z ich pomiarami, autorzy ustalili, że prawdopodobna granica wewnętrznej (niezależnej od czynników zewnętrznych) przewidywalności pogody wynosi 129 (plus minus 7 dni). To oznacza ogromne pole do poprawy względem dzisiejszych prognoz – zwracają uwagę eksperci.

W idealnych (a więc nierealnych!) warunkach prognoza o jakości dzisiejszej prognozy 5-dniowej mogłaby nawet sięgać nawet do ok. 62 dni.

Badacze chcą teraz zweryfikować swoje wyniki, podchodząc do problemu od jeszcze innej strony. Uważają, że jeśli ich wnioski zostaną potwierdzone, wówczas nie tylko wyznaczą teoretyczną granicę przewidywalności pogody, ale także wskażą, jak daleko w przyszłości może realnie rozwinąć się prognozowanie.

Link do tekstu: https://wszystkoconajwazniejsze.pl/andrzej-talarczyk-las-wiatrakow-las-energii/

PAP/MB