Aladin

Většinu z nás předpověď počasí zajímá hlavně proto, zda si máme zítra vzít na sebe svetr nebo zalévat zahrádku. Pro koho dalšího ale může být přesná předpověď počasí důležitá a proč? Na toto téma a podrobnosti modelového předpovídání počasí jsme si povídali s RNDr. Radmilou Brožkovou, CSc., vedoucí oddělení numerických předpovědí Českého hydrometeorologického ústavu.

Koho zajímá přesná předpověď počasí?

Počasí a jeho předpověď zasahuje v podstatě do všech oborů lidské činnosti. Tak třeba letecká doprava. Jak kvůli bezpečnosti a provozu na letišti, tak kvůli plánování leteckých tras. Pokud letadlo neletí zbytečně proti větru, mohou se ušetřit pohonné hmoty. Na silnicích zase dopravci potřebují vědět, jestli bude sníh nebo náledí. Předpovědi zde odebírají podniky údržby silnic a podle toho plánují a upravují posyp; obor silniční meteorologie se proto dále rozvíjí s cílem zvýšit bezpečnost provozu i optimalizovat náklady na údržbu. V létě se horkem může nejen roztéct asfalt na cestách, ale i zkroutit nebo popraskat koleje na železnici.

Velmi důležité jsou předpovědi pro energetiky. V poslední době se provozovatelé solárních elektráren často ptají, kdy a jak jim bude sluníčko svítit. Výpočet přenosu solárního záření v atmosféře je samozřejmou součástí předpovědních modelů, ale zájem o výstupy těchto výpočtů se s masivním rozvojem fotovoltaických elektráren prudce zvýšil a predikci energie slunečního záření dopadajícího na zemský povrch nyní poskytujeme řadě firem. Tento parametr, přímo ovlivňující množství výroby elektřiny v solárních elektrárnách, je důležitou informací také pro plánování přenosů elektřiny, kterými se zabývá ČEPS. Správce přenosových sítí také zajímá, jestli bude námraza a zda nehrozí potrhání vedení. Predikce námrazy je přitom pro meteorology těžký oříšek. Dá se sice relativně dobře spočítat, jaká bude teplota a vlhkost, ale odhadnout proces tvorby námrazy je obtížnější.

Jak je to s predikcí větru?

Předpovědi větru pro větrné elektrárny se u nás nevyžadují v takové míře, jako třeba v Dánsku nebo v Německu. Ve srovnání s těmito státy máme větrných jednotek v provozu relativně málo. Nejvíce se z hlediska předpovědí větru dělají studie v lokalitách, kde se plánuje výstavba větrné elektrárny a je třeba zjistit, zda pro ni vůbec existují vhodné klimatické podmínky. A pak se na počasí samozřejmě ptají zemědělci; kde je dnes problémem například sucho. Na druhou stranu při silných srážkách a následných povodních, ale i v jiných extrémních povětrnostních situacích, musíme úzce spolupracovat s hasiči a záchrannými sbory. V neposlední řadě pak jsou meteorologické informace strategickou záležitostí pro vojenské účely.

V České republice zajišťuje předpověď počasí numerický model Aladin. Jak funguje?

Aladin je zjednodušeně řečeno model atmosféry. Principem modelu je co nejlépe reprodukovat pozorovanou povětrnostní realitu. Výpočet předpovědi počasí modelem vždy vychází z naměřených dat, tedy ze znalosti fyzikálního stavu atmosféry na počátku předpovědi. Následně se každá předpověď srovnává se skutečností, která opravdu nastala. Cílem je samozřejmě se co nejvíce měřeným hodnotám přiblížit.

Model atmosféry je založen na fyzice mechaniky tekutin, dále musí realisticky popsat energetický a hydrologický cyklus atmosféry. Vrátíme-li se k příkladu predikce slunečního záření dopadajícího na zemský povrch, pak tady jde o výpočet radiačního přenosu elektromagnetických vln slunečního spektra atmosférou, kdy se musí zohlednit její plynné složení, zejména obsah vodní páry, a interakce s oblačnými krystalky a kapkami.

Svůj vliv na počasí má i zemský povrch, který je také třeba modelovat, stejně jako jeho interakci s atmosférou. Pro jednoduchou představu – písčitý povrch bez vegetace nebo naopak zalesněné území zcela jinak ovlivní ohřev přízemní vrstvy vzduchu a výpar vody do atmosféry. Známým jevem jsou také tzv. tepelné ostrovy velkých měst, jako je u nás třeba Praha, Brno nebo Ostrava. Zahrnutí vlivu městských aglomerací je jednou ze složek modelu zemského povrchu, která se teprve vyvíjí a zatím není v aktivní provozní aplikaci.

K čemu konkrétně tyto znalosti meteorologických jevů slouží?

Například konkrétně k předpovědi počasí objektivními metodami. Všechny fyzikální zákonitosti meteorologických jevů, kterým člověk porozuměl, se převádějí do matematických rovnic. Ty jsou velmi složité. Jde o nelineární parciální diferenciální rovnice, které nejde vyřešit analyticky, jako třeba kvadratickou rovnici. Musíme proto použít numerické metody, které přibližují derivace a integrály tak, abychom problém mohli zpracovat a řešit. Kromě složitosti rovnic je dimenze úlohy tak obrovská, že jsou k tomu potřeba velmi výkonné počítače, pro které se často používá vžitý termín superpočítače.

Asi nepočítáte počasí jen nad územím Čech a Moravy…

Zdaleka ne, z principu věci je nutné počítat model na daleko větším území. Konkrétně rozměry naší výpočetní oblasti jsou přibližně 2 500 km ve směru západ-východ a 2 000 km ve směru sever-jih. Okrajová data nám dodává celoplanetární řídicí model ARPEGE provozovaný Météo-France. Párování globálního modelu ARPEGE a našeho Aladina s vyšším rozlišením je řešeno synchronně tak, aby se získala předpověď s čerstvými vstupy v co nejkratším čase. V provozní meteorologii je to běžný postup.

Na jak dlouho dopředu předpovídáte?

Na 54 hodin dopředu a předpověď musí být hotová do hodiny od okamžiku, kdy dostaneme všechna vstupní data. Míní se tím nejen základní výpočet Aladina, který trvá asi 40 minut, ale i tvorba dalších výstupů pro ty, kteří je potřebují pro další zpracování, užití, publikování. V prvé řadě jsou to prognostici a pak řada dalších uživatelů, včetně médií. Rychlost zpracování je nutná proto, aby se naměřené informace o stavu atmosféry dostaly co nejrychleji do potřebných předpovědních produktů. Předpověď se počítá čtyřikrát denně – v 6, 12, 18, 24 hodin světového času, kterým se řídí celosvětová meteorologie.

Kolik lidí tohle všechno dělá?

V týmu okolo Aladina v současné době pracuje 8 lidí.

Teď trochu podrobněji a možná pro někoho i složitěji – jak počítač počítá?

Pracujeme s mřížkou, která má 540 bodů od západu na východ, 432 bodů od jihu na sever a 87 bodů ve vertikále. V každém bodě během 180 sekund (jeden časový krok) proběhne na 30 000 početních operací. Pro výpočet předpovědi na 54 hodin se tak uskuteční 1080 časových kroků, které se musí stihnout za uvedených 40 minut. Tato čísla vyjadřují nároky na udržený výkon počítače pro aplikaci Aladin, nikoliv na teoretický špičkový výkon, který se často u počítačů uvádí. Pro zvládnutí těchto výpočtů je ČHMÚ vybaven superpočítačem NEC-SX9, instalovaným ve dvou fázích v letech 2009 a 2010. Základ konfigurace tvoří dva výpočetních nódy, každý o 16 vektorových jádrech a jednom terabitu sdílené paměti. Výpočetní systém musí mít samozřejmě dostatečný prostor pro zpracovávaná data, který je zajištěn sdíleným diskovým polem s vysokou propustností o kapacitě přesahující 100 terabitů. Systém dále doplňují dva přístupové servery a záložní baterie, schopné udržet provoz po dobu dvaceti minut při možných výpadcích proudu ze sítě. Celý systém, včetně softwarových licencí a rozšířené pětileté záruky, byl pořízen včetně DPH za sedmdesát milionů korun.

Podle jakých kritérií pořizujete nové počítače?

Při tendru na nový počítač jsou velmi důležitým technickým parametrem výkonnostní testy, kdy uchazeč musí prokázat, že jím nabízené zařízení splňuje požadovanou rychlost výpočtu naší aplikace. Další výkonnostní testy se týkají využitelnosti paměti, rychlosti čtení a zápisu na diskové pole, a tak podobně. Velmi důležitým parametrem je technická spolehlivost, neboli vysoká bezporuchovost zařízení, které je provozováno 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Kromě samotných produkčních předpovědí totiž běží na počítači další provozní úlohy, které v takzvaném asimilačním cyklu modelu zpracovávají všechna došlá měření a každou hodinu provádějí výpočet analýzy stavu atmosféry. Když k tomu přidáme verifikaci modelu a vývojové práce, tak je počítač vytížen neustále na své maximum. Do budoucna, chceme-li zvýšit rozlišení početní mřížky na 2 km, budeme muset koupit nový počítač. Ale tak se to dělá běžně, i běžný uživatel musí jednou za čas, přibližně pět let, koupit novější počítač. Vývoj jde dál.

Co ovlivňuje výpočet?

Zejména to, že na vstupech máme v každém termínu poměrně proměnlivý počet měření, kdy je třeba automaticky provést jejich kontrolu kvality. Technicky je nutná také již uvedená spolehlivost zařízení, včetně ošetření výpadků proudu ze sítě. Bylo by velmi nemilé, kdyby například nastal výpadek výpočtů uprostřed velké povodňové epizody, nebo v jiných kritických situacích.

Odkud získáváte data?

Z celé řady zdrojů. Klasická konvenční měření se pořizují pozemními stanicemi pro parametry v přízemní vrstvě vzduchu, dále radio-sondážními stanicemi, které vypouštějí měřicí sondy pro získání vertikálních profilů tlaku, teploty, vlhkosti a větru. Přízemní nebo radio-sondážní pozorování mohou být pořízena i na lodích. Na moři dále existuje systém plovoucích a ukotvených měřicích bójí. Další data získáváme z čidel, kterými jsou osazena komerční dopravní letadla. Máme tak k dispozici údaje o teplotě vzduchu a proudění podél letové trajektorie stroje, nikoli však o vlhkosti.

Obrovským zdrojem dat jsou satelitní pozorování. Geostacionární satelity, i ty s polární drahou letu, jsou osazeny řadou přístrojů, které tzv. aktivně či pasivně měří vlastnosti systému Země-atmosféra. Údaje z nich musí projít daleko sofistikovanějším zpracováním a kalibrací, než je tomu u konvenčních přístrojů, protože nepozorují přímo teplotní či vlhkostní profily, ale integrální hodnoty, které systém Země-atmosféra v daném spektru vyzařuje.

Dále tu máme srážkoměrné radary a přístroje, které na principu radaru měří profily větru.

Jak ověřujete data a analýzu předpovědi?

Kontrola kvality měřených údajů je prvním krokem tzv. analýzy atmosféry. Měření se porovnávají oproti předběžnému odhadu stavu atmosféry, který je určen krátkou předpovědí modelu z předchozí analýzy. Odchylka měření od předběžného odhadu by neměla překročit prahovou hodnotu, která se stanoví na základě známé přesnosti měřidla a statistické chyby předběžného odhadu.

Zkontrolovaná pozorování vstupují do výpočtu analýzy, jejíž rovnice je založena na teorii optimálního odhadu. Nejčastěji používaným algoritmem je variační počet. Analýza je opět úlohou s velikou dimenzí. Například naše konfigurace modelu Aladin má více než 20 milionů bodů početní mřížky, ve kterých je třeba analyzovat hodnoty tlaku, teploty, směru a rychlosti větru a také vlhkosti. Analýza je tedy stejně jako předpověď časově kritickou úlohou. Nicméně v praxi je také třeba pro daný termín analýzy počkat na příchod co největšího množství měření. V případě naší produkční předpovědi je tento čas jedna hodina a padesát minut.

Z hotové analýzy se počítá vlastní předpověď. Po uplynutí její platnosti, kdy jsou již k dispozici měření, se předpověď verifikuje. Používají se k tomu zejména konvenční pozorování, která mají vysokou míru spolehlivosti, nebo se porovnává s analýzami. Srovnání předpovědi s měřením nebo analýzou poskytne sadu statistických informací o chování předpovědního modelu a je základem pro jeho další zlepšování.

Jak to chodí u dlouhodobých předpovědí?

Pro atmosférickou cirkulaci platí, že čím menší je cirkulační útvar (například lokální bouřka), tím je jeho doba existence kratší, a tím hůře se předpovídá přesné místo a čas jeho výskytu. V atmosféře jsou největšími prostorovými útvary rozsáhlé tlakové výše nebo níže, pro které můžeme dosáhnout alespoň určité prediktability (předpověditelnosti) i v horizontu přesahujícím deset dní, což je délka střednědobé předpovědi. Například anticyklóna nad Sibiří mnohdy vydrží měsíc i déle. I tak ale lze odhadnout spíše základní charakter počasí, nikoliv detaily, a to ještě s určitou mírou pravděpodobnosti, která se určuje na základě nepřesností jak v měřeních, tak v modelových predikcích. Navíc se prediktabilita atmosféry stále mění, není to konstantní veličina.

Věnujete se i předpovědím klimatu?

Míníte asi klimatické scénáře. Obecně modelování klimatu, ať už současného nebo nějakého jeho vývoje, je úplně jiným problémem, než předpověď počasí. Pro předpověď počasí musíme znát počáteční stav pomocí již zmíněné analýzy. Oproti tomu klima odráží režim, nikoliv konkrétní počasí ze dne na den, a není tak závislé na jednom konkrétním počátečním stavu atmosféry. Klima je výsledkem rovnováhy sil atmosférického systému, jeho hydrologického a energetického cyklu. Zde je klíčem k úspěchu kvalita modelu atmosféry, která je důležitá jak pro modelování klimatu, tak pro předpověď počasí. V této oblasti spolupracujeme s kolegy z klimatologie, a to i na mezinárodní úrovni, na konfiguraci modelu pracovně nazvané ALADIN/Climate.

Víme, kdo je otcem numerických modelů pro předpovědi počasí?

Myšlenka numerických modelů vzklíčila v hlavě Lewise Fry Richardsona, který sestavil v letech 1916-1922 první rovnice jednoduchého modelu. Jenže v roce 1922 neexistoval žádný počítač. Zapojil proto do výpočtů své studenty. Bohužel výsledná předpověď se příliš lišila od skutečnosti. Richardson byl ale přesvědčen, že jeho postup byl správný a publikoval jej. Ve své knize si představil „počítač“ jako amfiteátr, kde by sedělo šedesát čtyři tisíc „lidských procesorů“ s tužkami a papíry a dole u řídicího pultu by byl člověk s reflektorem, který by světelným paprskem určoval pořadí výpočtu. Podle této vize se měly výsledky posílat potrubní poštou prognostikům do speciální místnosti. Realizace těchto myšlenek ale musela chvíli počkat na technický pokrok.

Po druhé světové válce John von Neumann postavil počítač ENIAC a hledal vhodnou úlohu, na které by otestoval „sílu tohoto nového přístroje“. Potkal Jula Gregory Charneyho, který měl připravené rovnice jednoduchého jednovrstvého modelu atmosféry. A tak je naprogramovali. Předpověď na jeden den se počítala měsíc, ale výsledky byly tentokrát přesvědčivé. Využití počítačů se pak zdokonalovalo a počasí se začalo předpovídat s jejich pomocí. Dnes má například Aladin střední kvadratickou chybu předpovědi teploty 1,5 °C na 54 hodin. Daleko obtížnější je předpověď srážek, zvláště přívalových srážek z lokálních bouřek, a to pokud jde o jejich lokalizaci a množství. Ale i na tomto poli jsme v posledním roce zaznamenali zlepšení výsledků, které budeme publikovat v odborné literatuře.

Dá se Vaše profese někde studovat?

Kdo by se chtěl věnovat modelování atmosféry, ať už pro klima nebo pro numerickou předpověď počasí, měl by vystudovat fyziku na Matematicko-fyzikální fakultě UK, konkrétně obor meteorologie a klimatologie. Studenti MFF UK získají potřebné pensum znalostí jak ve fyzice, tak matematice, která je v našem oboru nezbytná. Dále v samotné numerické předpovědi počasí existuje řada užších specializací, které mohou studenty zaujmout.

Najdou studenti v tomto oboru uplatnění?

Studentů meteorologie je málo, takže si je pracoviště „rozeberou“ už za studií. Ideální je, pokud se student může seznámit s praxí již během školy, například formou stáží. V zahraničí bývají takové stáže na pracovištích dokonce povinné. Pro závěrečnou práci odpovídající našemu magisterskému stupni bývá nutné absolvovat půlroční stáž. Osobně si myslím, že je to dobrá cesta, ale u nás stáže povinné nejsou. Snažíme se proto alespoň v roli školicího pracoviště vypisovat témata bakalářských, diplomových prací a spolu s tím nabídnout možnost hlubší výuky spojené s řešením praktických problémů.

Máte v meteorologickém ústavu rosničku ve sklenici či knihu pranostik?

Živé rosničky ve sklenici nemáme, neb jsou chráněné, to by bylo týrání zvířátek. A co bychom si s nimi počali. Ale kamarádi a příbuzní mi v žertu jako maskoty věnují žáby v nejrůznějších podobách – plyšové, keramické, nebo takovou tu plechovou, natahovací na klíček, ta je samozřejmě nejlepší…

Děkuji za rozhovor.

Weby
Pro ty, co chtějí dělat meteorologii: http://kmop.mff.cuni.cz/cz/studium

Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ): www.chmi.cz, přičemž předpovědi modelu Aladin najdete zde:
http://www.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/ov/aladin/results/ala.html

Více o Arpege: http://www.cnrm.meteo.fr/gmgec/spip.php?article83&lang=fr

Více o superpočítači: http://en.wikipedia.org/wiki/NEC_SX-9

A sem si napište, pokud budete chtít taky takový: http://www.nec.com

První numerický předpovídač: http://en.wikipedia.org/wiki/Lewis_Richardson

ENIAC: http://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC

Charney, co se kamarádil s Von Neumannem:
http://en.wikipedia.org/wiki/Jule_Gregory_Charney

První výpočet nebyl na ENIACu, ale na IAS machine
http://en.wikipedia.org/wiki/IAS_machine

Popis Aladina na chmi:
http://www.chmi.cz/files/portal/docs/meteo/ov/aladin

Model Aladin (Aire Limitée, Adaptation Dynamique, Development International) je numerický předpovědní model počasí na omezené oblasti, určený pro krátkodobou dvoudenní předpověď atmosférických procesů v mezo-beta až meso- gamma měřítku (řádově s rozměrem 10 až 1 km).

Původně byl koncipován jako dynamická adaptace výsledků předpovědi globálního modelu ARPEGE na vyšší rozlišení při kterém dochází jednak ke zpřesnění popisu intenzivních atmosférických procesů s velkou prostorovou proměnlivostí, jednak procesů vázaných na detailní popis parametrů zemského povrchu (výška terénu, půdní a vegetační parametry apod.). V posledních letech jsou v modelu rovněž intenzivně vyvíjeny metody zpřesnění počátečních podmínek jak asimilací pozorování (třídimensionální variační asimilace dat), tak sofistikovanou kombinací globální analýzy a simulace mezoměřítkových struktur (metody míchání – blending). Aladin je založen na systému základních rovnic řešených spektrální metodou na omezené oblasti semi-implicitním semi-lagrangeovským schématem. Integrační oblast modelu je vytyčena na mapě v konformní projekci, ve vertikále je použit hybridní souřadnicový systém. Procesy, které nejsou popisovány základním dynamickým jádrem modelu, jsou simulovány v soustavě fyzikálních parametrizací.

Model se vyvíjí od roku 1991 v mezinárodní spolupráci vedené francouzskou povětrnostní službou Météo-France. Do současnosti se do vývoje zapojilo celkem patnáct evropských a afrických států. V rutinním provozu je v řadě členských zemí konsorcia ALADIN a jeho vývoj probíhá v rámci řady národních a evropských projektů. V současné době se vývoj orientuje na přípravu modelu pro rozlišení 1 km.

Příklad předpovědní mapy systému Aladin – teplota ve 2 m nad zemí a srážky za posledních 6 hodin.
http://pr-asv.chmi.cz/aladin/index.php?run=latest&all=on&tt=on&rr=on&ff=on&nb=on