Waarom is een verwachting soms onzeker en soms niet?

Berekeningen vliegen alle kanten uit

Van onze weerman

Wilfred Janssen
8 maart 2019 14:01 uur (bijgewerkt: 8 maart 2019 15:24 uur)
Een weersverwachting is soms zeer onzeker. Lagedrukgebieden bepalen ons weer van tijd tot tijd, maar wat er precies gaat gebeuren is dan niet te zeggen. Weermodellen hebben daar ontzettend veel moeite mee, maar bij hogedrukgebieden kunnen we zomaar een week goed vooruit kijken.

Meteorologen schrijven en zeggen het vooral in tijden waar depressies ons weer bepalen: "het is erg onzeker". Waarom wordt deze zin zelden uitgesproken in geval van rustig en vooral stabiel weer? Daarvoor moeten we kort kijken naar de werking van de weermodellen en waarom de toestand van de atmosfeer allesbepalend is voor de zekerheid. Daarna kunnen we pas gaan kijken waarom het bij lagedrukgebieden juist vaak onzeker is, maar bij hogedrukgebieden een stuk minder...

Weermodellen op supercomputers

Geen Egyptische hiërogliefen in een tombe, maar de wiskundige beschrijving van de natuurkundige regels waar de atmosfeer zich aan houdt. Dit zijn de basissommen die in vrijwel elk weermodel zitten
De atmosfeer is kort door de bocht niets meer en niets minder dan een samengesteld gas dat zichzelf aan natuurkundige regels houdt. Deze natuurkundige regels kunnen worden geschreven als wiskundige formules en die formules kunnen weer door computers worden opgelost. Wanneer je voor heel veel plaatsen in de atmosfeer de formules uitrekent, kan je dus een weersverwachting maken. Omdat er ontzettend veel berekeningen moeten worden gemaakt, doen supercomputers voor de meteorologen het werk.

Een weermodel is in feite een computerprogramma dat de toestand van de atmosfeer kan uitrekenen op basis van de wiskundige formules van de natuurkundewetten in de atmosfeer. In deze formules moeten natuurlijk wel getallen worden gestopt, omdat de computer anders niets kan uitrekenen. Die getallen zijn in het geval van een weermodel de toestand van de atmosfeer op zoveel mogelijk plekken op aarde en hoger in de lucht: bijvoorbeeld de temperatuur, luchtvochtigheid, windsnelheid, windrichting en zonnestraling. Door op één specifiek moment al deze getallen van de atmosfeer in een weermodel te stoppen, kan een supercomputer verder rekenen met die getallen en de toekomst van de atmosfeer proberen te simuleren.

De atmosfeer is een chaos

De chaos is goed te zien in een pluimgrafiek. Elk lijntje wordt met hetzelfde weermodel uitgerekend, alleen de getallen waarmee de berekening begint, zijn steeds een klein beetje anders. Dat heeft soms al enorme gevolgen op nog geen 2 dagen vooruit!

Een chaos, dat klinkt als een klas vol leerlingen zonder dat er op dat moment een leerkracht aanwezig is. Er hoeft in het klaslokaal maar iets te gebeuren en de leerlingen zullen erop reageren. Was er op dat moment nét iets anders gebeurt, dan hadden de leerlingen ook iets anders gereageerd. Deze 'toevallige' gebeurtenis heeft wel invloed op de verdere toekomst van andere gebeurtenissen in het klaslokaal. Dit gebeurt in feite ook in alle weermodellen die momenteel bestaan.

Geen enkele supercomputer ter wereld is in staat om voor letterlijk de hele atmosfeer te simuleren, maar wel in bijvoorbeeld hokjes van 10 kilometer lang en breed en enkele honderden meters hoog. Er zijn veel verschijnselen in de atmosfeer die kleiner zijn dan die hokjes in zo'n weermodel, denk aan het vormen van een stapelwolk of zelfs nóg kleiner, druppelvorming. Deze processen kunnen wel worden geschat, maar nooit exact worden berekend. Je ziet het al, het is dus onmogelijk om precies de goede getallen in een weermodel te stoppen en ook nog onmogelijk om ook precies de goede getallen uit te rekenen.

Omdat een weermodel simpelweg natuurkundige rekenregeltjes volgt, is de uitkomst van de sommetjes volledig afhankelijk van de getallen die je in het sommetje gebruikt. De som 1 + 1 levert natuurlijk een andere uitkomst op dan 1 + 1.1. Het is weliswaar een klein verschil, maar een weermodel rekent telkens weer verder op basis van de uitkomst van de vorige berekening, anders kan je niet verder de toekomst in rekenen. Je kan je dus voorstellen dat een klein verschil in het begin zal leiden tot een groot verschil in uitkomst op langere termijn. Het spreekwoord dat hierbij past, kan in een weermodel ook letterlijk uitkomen: "Een vlinderslag in China kan een orkaan nabij Texas veroorzaken".

"De atmosfeer is op geen twee momenten exact gelijk, elk moment is dus een uniek moment!"

Grote onzekerheid bij lagedrukgebieden

Vier verschillende weermodellen voor iets meer dan 2 dagen vooruit. Normaal is dat geen probleem voor de modellen, maar lagedrukgebieden kunnen ontzettend lastig zijn. Let maar eens op de enorme verschillen op deze korte termijn, hoezo onzeker!

Het feit dat kleine verschillen in het begin zorgen voor grote verschillen in uitkomsten, is ook de hele reden waarom de weersverwachting in geval van onrustig weer juist heel onzeker is. Lagedrukgebieden zijn vaak complexe systemen waarin zich heel veel, toch vrij belangrijke, kleinschalige verschijnselen afspelen. Deze verschijnselen zijn vaak ontzettend lastig om te verwerken in de getallen waar een weermodel de berekeningen mee start. Een kleine afwijking in positie, precieze windsnelheid of luchtdruk is al genoeg voor een compleet andere uitkomst dan wanneer het mogelijk zou zijn om de atmosfeer perfect te berekenen.

In zo'n situatie zitten we de komende dagen. Op de Noordzee en boven de Atlantische Oceaan is het momenteel een warboel van allemaal lagedrukgebieden, kleine lagedrukgebiedjes, fronten, kleine golfjes in de fronten en een gierende straalstroom op 7 kilometer hoogte die er overheen waait. Deze mix is perfect voor het laten ontstaan van zeer venijnige storingen als het allemaal perfect met elkaar samenvalt. 

Omdat al deze details onmogelijk samen te vatten zijn in correcte getallen, hebben de verschillende weermodellen de grootse moeite om allemaal tot een eenduidige uitkomst te komen: ze laten allemaal een andere uitkomst zien. Voor een meteoroloog is het in deze situatie zeer lastig, zeg gerust onmogelijk, om een perfecte verwachting te maken. In dit geval zal een meteoroloog dus zijn of haar onzekerheid uitspreken en toelichten. Want de meteoroloog weet wel dat er kans is op bijvoorbeeld een storm en wanneer dat ongeveer kan gebeuren. Deze vorm van inzicht heeft een supercomputer, ondanks de tienduizenden processoren, (nog) niet. 

Een week vooruit bij hogedrukgebieden

Tot en met dag 7 zijn alle berekeningen het wel ontzettend met elkaar eens, afgezien van detailverschillen in minima en maxima op een dag. Oorzaak: een zeer standvastig hogedrukgebied waar het weer in een groot gebied ongeveer hetzelfde is. Een enorm verschil met een pluim in geval van lagedrukgebieden!

In geval van hogedrukgebieden is het vaak heel anders. Zeker in het geval van enorme standvastige hogedrukgebieden kan een weersverwachting soms tot wel meer dan een week al vrij zeker zijn. Dat komt omdat hogedrukgebieden soms enorm logge systemen zijn die een langere periode op dezelfde plaats blijven liggen. Weermodellen zijn erg goed in staat om grootschalige processen op te lossen, laat daar nou net zo'n enorm hogedrukgebied onder vallen.

Omdat kleinschalige variatie in en rondom een krachtig hogedrukgebied minder belangrijk is voor de uitkomst op een plaats dat in het hogedrukgebied ligt, is een verwachting ook een stuk zekerder: het hogedrukgebied ligt er nog wel even, dus veel verandert er niet. Daarnaast is het weer in en rondom een groot hogedrukgebied in een groot gebied sterk vergelijkbaar, afgezien van enkele details.

Dit is dus de hele oorzaak dat de weersverwachting in geval van hogedrukgebieden een stuk zekerder zijn dan wanneer lagedrukgebieden het weerbeeld in onze omgeving domineren. 

Deel:

Files en vertragingen