Ajankohtaista: 2018

Modernit säämallit ovat energiasään ennustamisen perusta

26.3.2018 9:00

BCDC Energia -tutkimushankkeessa kehitetään menetelmiä aurinko- ja tuulienergian tuotannon ennustamiseen.

Kuva: Eija Vallinheimo

Kuva: Eija Vallinheimo

Energiasään ennustamiseen tarvitaan ymmärrys käytössä olevista tuuli- ja aurinkovoimaloiden teknisistä ominaisuuksista sekä tarkka tieto niiden sijainnista. Tämä ei kuitenkaan riitä. Energiasään taustalle tarvitaan paikallisesti yksityiskohtaiset tiedot tulevasta säästä ja arvio sääennusteen mahdollisesta epävarmuudesta. Modernit sääennusteet perustuvat vahvasti numeerisiin säämalleihin, mutta mikä säämalli oikeastaan on? Miten säämalleja kehitetään ja miten erityisesti BCDC-hanke pystyy vaikuttamaan säämallien kehitykseen kansainvälisesti?

Mikä on säämalli?

Säämalli kuvaa koko ilmakehäjärjestelmän virtausrakennetta. Mallit perustuvat fysiikan säilymislakeihin, joiden pohjalta muodostettu yhtälöryhmä pyritään ratkaisemaan numeerisesti. Tehokkaiden tietokoneiden avulla voidaan laskea eri puolilla ennustealuetta merenpinnasta kymmenien kilometrien korkeuteen erilaisten sääsuureiden – kuten lämpötilan, kosteuden, tuulennopeuden tai auringonsäteilyn – muutoksia seuraavina tunteina, päivinä, viikkoina, ja nykyään jopa kuukausina.

Säämalleja on kahta päätyyppiä: globaaleja ja rajoitetun alueen malleja. Globaalimalli kattaa koko maapallon yleisen kiertoliikkeen. Ennen ennusteen tekemistä tarvitaan kattava käsitys ilmakehän tilasta. Tämä ennusteen ns. alkutila määritetään käyttämällä monipuolisesti säähavaintoja ympäri maapalloa. Globaalit mallit kykenevät ennustamaan suursäätilan tarkasti useaksi päiväksi eteenpäin, minkä vuoksi ne ovat modernin säänennustamisen kivijalka. Globaalit mallit ovat kuitenkin laskennallisesti raskaita, minkä vuoksi niiden alueellisen tarkkuuden suhteen joudutaan tekemään kompromisseja. Rajoitetun alueen mallit pyrkivätkin tarjoamaan lisäarvoa tuottamalla ennusteita paremmalla paikallisella erotuskyvyllä erikseen valitulle kohdealueelle, kuten esimerkiksi Pohjois-Eurooppaan. Energiasään kannalta juuri alueellisesti tarkempien mallien tuottamat ennusteet ovat tärkeitä ja siksi ne ovat myös BCDC-hankkeessa kehittämisen kohteena.

Energiasään ennustamisessa on tärkeää ennusteen osuvuuden tarkkuus. Kuitenkin lähes jokainen meistä omakohtaisesta kokemuksesta tietää, että sääilmiöt saattavat toisinaan olla arvaamattomia, ja siksi myös niiden ennustaminen on haastavaa. Tämän vuoksi on yhtä tärkeää pystyä etukäteen arvioimaan kuinka luotettava kyseisen päivän sääennuste on. Ennusteen epävarmuuden arviointiin on kehitetty ns. parviennustetekniikka, jossa parhaan ennusteajon lisäksi ajetaan lukuisia "häirittyjä" ennusteita. Häirittyjen ennusteiden tarkoitus on simuloida malleihin ja havaintoihin liittyviä epävarmuuksia, jotta itse ennusteeseen liittyvää säästä riippuvaa epävarmuusjakaumaa voidaan arvioida.

Miten säämalleja kehitetään – tutkimuksesta operatiiviseksi?

Rajoitetun alueen malleja kehitetään kansainvälisenä yhteistyönä. Euroopassa on tällä hetkellä neljä mallikehityskonsortiota. Näistä Suomi kuuluu kahden konsortion (HIRLAM-C ja ALADIN) yhteenliittymään, jonka tavoitteena on yhteisen säämallijärjestelmän kehittäminen. Konsortiolla on yhteinen visio alan suunnasta, sekä strategia, jonka perusteella luodaan tieteellinen työsuunnitelma tarvittavan kehitystyön toteuttamiseksi. Tämän lisäksi säämallia kehitetään laajasti myös tutkimushankkeissa, jotka mahdollistavat uuden osaamisen ja innovaatioiden hyödyntämisen yhteisen tavoitteen saavuttamiseksi.

Uusien malliversioiden saattaminen tutkimuksesta operatiiviseksi on keskeinen osa säämallien kehitystyötä. Tutkimustyön hedelmistä saadaan paras mahdollinen yhteiskunnallinen vaikuttavuus juuri operatiivisen toiminnan kautta. Tämä näkyy esimerkiksi parantuneina sääpalveluina. Ilmatieteen laitos tuottaa operatiiviset, rajoitetun alueen säämalliennusteet yhdessä Ruotsin ja Norjan laitosten kanssa. Tämä operatiivisen yhteistyön malli (MetCoOp) on alalla poikkeuksellinen koko maailmassa. Yhteistyön tavoitteena on ottaa operatiiviseen käyttöön tieteellisen mallikonsortion uusin malliversio sekä kehittää mallia niillä osa-alueilla, jotka tarvitsevat ylimääräistä ponnistelua operatiivisen laadun saavuttamiseksi.

Miten BCDC vaikuttaa sääennusteiden kehittymiseen?

BCDC Sää -tiimin tutkijat tekevät tutkimustyötä samoilla malleilla, joita käytetään operatiivisessa toiminnassa. Tämä luo loistavat edellytykset sille, että BCDC:n tutkimustuloksia voidaan jatkossa hyödyntää sääennusteiden tekemisessä. MetCoOp-yhteisön uudessa lähihetkiennustejärjestelmässä ollaan vielä tämän vuoden aikana ottamassa käyttöön BCDC Sää -tiimin tutkijoiden kehittämää menetelmää, jossa satelliiteilla havaitut pilvet huomioidaan paremmin mallin alkutilaa määritettäessä. Tämä on konkreettinen esimerkki siitä, miten BCDC tutkimushanke vaikuttaa suoraan tulevien sää- ja energiasääennusteiden laadun parantumiseen.

Lisätietoja:

Juttu julkaistu alunperin BCDC-Energia -tutkimushankkeen blogina:
http://www.bcdcenergia.fi/blogi-ja-uutiset-modernit-saamallit-energiasaan-ennustamisen-perusta/