Ilmakehä tietokoneen sisällä

Säätä ennustettaessa pyritään jäljittelemään mahdollisimman tarkkaan ilmakehän käyttäytymistä fysiikan lakien perusteella eli perustuen luonnon lainalaisuuksiin. Säämalli ei siis ole tilastollinen vaan fysikaalinen malli. Voi siis sanoa, että säätä ennustettaessa tietokoneeseen ikään kuin rakennetaan ilmakehä, fysikaalisine lainalaisuuksineen kaikkineen.

Ilmakehää kuvaavat matemaattiset yhtälöt ovat monimutkaisia ja toisiinsa hankalasti kytkeytyneitä, minkä takia niitä ei voida ratkaista tarkasti. Ei siis ole kehitettävissä mitään sääkaavaa, josta voitaisiin suoraan ratkaista sää halutussa paikassa ja haluttuun aikaan.

Tämän vuoksi joudutaan turvautumaan numeeriseen laskentaan, jossa ilmakehä jaetaan joukoksi erillisiä pisteitä.Ilmakehän tilaa ja kehitystä kuvaavat yhtälöt ratkaistaan mahdollisimman tarkkaan kussakin pisteessä erikseen. Pisteiden välimatkaa nimitetään mallin paikkaerottelukyvyksi.

Myös ajan suhteen joudutaan tekemään vastaava osiin eli aika-askeleisiin jakaminen. Laskenta etenee lähtemällä liikkeelle tunnetusta alkutilanteesta ja etenemällä kussakin laskentapisteessä aika-askel kerrallaan, kunnes koko haluttu ennusteaika laskenta-alueella on saatu katettua.

Säänennustusmallissa ilmanpaineen, tuulen, lämpötilan, kosteuden, pilvien, sateen, auringonpaisteen sekä muiden sääsuureiden muuttuminen lasketaan fysikaalisten yhtälöiden (jatkuvuus, lämpötila, liikemäärä ja kosteus) avulla hetki hetkeltä kaikissa mallin laskentapisteissä, niin että syntyy kattava, kolmiulotteinen ajassa etenevä kuva ilmakehän tilasta.

Mitä parempi erottelukyky mallissa on, sitä paremmin saadaan todellisen ilmakehän toiminta kuvattua. Rajan erottelukyvyn parantamiselle asettaa käytettävissä oleva tietokoneteho. 1950-luvulla käyttöönotetuissa ensimmäisissä säämalleissa erottelukyky oli joitain satoja kilometrejä, nyt ollaan uusien supertietokoneiden myötä siirtymässä 1-3 kilometrin erottelukykyyn.

Säämallin ympärille rakennettu numeerinen säänennustusjärjestelmä on monimutkainen tietotekninen sovellus, joka koostuu useista osista, joihin liittyy paitsi itse ennusteen laskentaa myös havaintojen käsittelyä ja yhdistämistä, tietojen siirtoa paikasta toiseen sekä tuotteiden jälkikäsittelyä. Tyypillinen säänennusutusmalli koostuu nykyään 1-3 miljoonasta ohjelmakoodirivistä.

Osa HIRLAM-säänennustusjärjestelmän prosessikaaviosta. Varsinainen mallilaskenta tapahtuu osiossa "Model". Muut osiot liittyvät mm. havaintojen käsittelyyn sekä tulosten visualisointiin eli havainnollistamiseen ja arkistointiin.
 
 

17.1.2011

 

Ilmatieteen laitoksen Cray XC30 supertietokone