Skip to main content
15 Nov

Povijest i sudbina NMMB modela

Numeričko modeliranje atmosfere danas je temeljni način prikupljanja podataka kojima se prognostičari služe u sastavljanju vremenske prognoze. Modeliranje atmosfere je način za neizravno proučavanje njezinih svojstava, pri čemu se matematičkim putem u računalnom programu opisuje njezino stanje u nekom trenutku, kao i promjena stanja tijekom nekog vremenskog razdoblja. Prvi pokušaji da se matematičkim putem opišu takvi procesi sežu u 1920-te godine, ali do izuma računala 1950-tih godina nije bilo moguće imati realistične rezultate takvih matematičkih modela. Danas se velik broj globalnih i regionalnih modela upotrebljava diljem svijeta, pri čemu se koriste različita mjerenja sa satelita, radio sondi i drugih načina za meteorološka mjerenja aktualnog stanja kao ulaznih podataka u model.

NEMS je skraćenica od NOAA Environmental Modeling System i predstavlja programski okvir unutar kojeg se izvode matematičke jednadžbe i fizikalne parametrizacije procesa kroz integraciju modela, asimilacije izmjerenih podataka, konverzije formata i slični računalni zahvati na modelu atmosfere. Osim NEMS sustava postoje i drugi od kojih je svakako najpoznatiji i nešto dugovječniji WRF.

Numerička meteorologija krenula je na neki način ozbiljnim putem upravo "sa Balkana", davnim razvojem HIBU modela (Hydrometeorological Institute and Belgrade University) tijekom 1970-tih godina od strane tad mladih Fedora Mesingera i Zaviše Janjića. Tijekom 80-tih godina prošlog stoljeća model je doživio preinake te je ustupljen američkom NCEP-u i time je postao operativni NCEP-ov model od 1993. godine pod nazivom ETA.

Tijekom godina, ETA model doživljava veće promjene i postaje NMM – Nonhydrostatic Mesoscale Model i ulazi pod WRF arhitekturu kao WRF-NMM (WRF – Weather Research and Forecasting). Posljednja promjena modela nastupa nedavno, kad NMM prelazi iz WRF u NEMS arhitekturu i pritom mijenja grid iz tzv. Arakawa-E u Arakawa-B čime dobija dodatno slovo u naziv i postaje NEMS-NMMB model. Dodatna modernizacija u NMMB verziji dolazi iz vrlo naprednog i kompleksnog WRF-ARW modela, prilagođavanjem određenih fizikalnih parametrizacija i shema za rad unutar NMMB modela. NMM/B branša time je barem na papiru trebala postati još bolja i spremna i za najzahtjevnije izazove. NMMB je moguće pokretati u regionalnom ali i u globalnom načinu rada i na vrlo širokom spektru razlučivosti grida, pa tako umjesto "mesoscale" prvo slovo M u nazivu sad znači "multiscale", a cijela skraćenica Nonhydrostatic Multiscale Model on B-grid.

Hrvatska javnost bila je u gotovo potpunom "meteorološkom informacijskom mraku" sve do pojave Crometeo/MeteoAdriatic projekta 2007. godine čime je na domaćem webu po prvi puta bilo moguće javno dobiti izračune atmosferskih WRF modela relativno visoke razlučivosti. Crometeo udruga je tom meteorološkom manjku informacija stala na kraj i barem malo približila američki princip vremenske prognoze i u nas, koji kaže da informacija i znanje moraju biti svima dostupni u svakom trenutku. Nažalost, u Europi to nije službena praksa, već je zarada na prvome mjestu, daleko ispred dijeljenja znanja, informiranja javnosti i općeg dobra. Postoje srećom subjekti koji drugačije razmišljaju, pa tako Crometeo već niz godina među ostalim aktivnostima i preko MeteoAdriatic projekta radi na pravodobnom, preciznom i točnom informiranju javnosti.

U skladu s time ovog smo ljeta intenzivno testirali novi regionalni prognostički sustav temeljen na novom NMMB modelu, pod nazivom Crometeo NMMB. Polagali smo velike nade u novi model, rješavajući mjesecima probleme s kojima smo se susretali tijekom njegovog testiranja. Kako je vrijeme odmicalo i beta verzija modela postajala sve viša i viša, bili smo uvjereni da ćemo kreirati prognostički alat koji će u budućnosti zamijeniti naš postojeći WRF-NMM. Testni model prešao je konačno u produkcijsku fazu puštanjem u javnost nove verzije MeteoAdriatic portala pod nazivom Crometeo NMMB...

No vratimo se malo na mjesece testiranja i "hrvanja" s modelom. Prvi problemi s kojima smo se susreli su bili vezani za kompajliranje modela, budući da je princip kompajliranja u trenutku našeg testiranja bio vrlo "eksperimentalan" na linux platformi. Pronalazak svih potrebnih biblioteka za kompajliranje NMMB kod-a pokazao se kao prava avantura. U tom trenutku DTC nije još objavio verziju NMMB za javnost, sva potraga je išla "underground" kanalima preko naših partnera i prijatelja koji su nam ukazivali na lokacije kodova po raznim serverima. Prava agonija krenula je još prošle zime dok smo sve to nastojali posložiti da radi, isprobavajući kompajlere, podešavajući shell envinronment do besvijesti, kompajlirajući različite verzije ncep-libs i esmf biblioteka dok konačno nismo našli kombinaciju koja je dovela do djelomičnog uspjeha. Unatoč nepostojanju bilo kakve dokumentacije, "othrvali" smo se svim problemima i prvi NEMS.x binary je izrađen i "fešta" je mogla početi.

No umjesto fešte tad je krenula nova runda agonije, jer su prva testiranja nakon višednevnih pokušaja da uopće pokrenemo model, pokazala da većina konfiguracijskih opcija, posebice onih naprednijih pristiglih iz WRF-ARW u NMMB kod - uopće ne radi. Nova testiranja, rekompajliranja do besvijesti, izmjene biblioteka, pokušaji kontaktiranja nepostojeće službe za podršku nisu urodili plodom da model proradi u željenoj modernoj konfiguraciji. Sve što smo mogli pokrenuti bio je jedan jedini set konfiguracijskih opcija, onaj - prema riječima developera - napušten, koji se odavna više ne unaprijeđuje. Drugi problem je što se NMMB pokazao kao dosta sporiji od NMM-a, iako je "na papiru" trebao biti brži od njega. Smatrali smo da je to našom krivicom, no iz testova kolega koji su paralelno i u suradnji s nama razvijali svoje inačice preko puta Jadrana, zaključili smo da imamo jednako brz (spor) model...

I tad kad smo već htjeli odustati zbog svega, DTC je odjednom izbacio prvu javnu "public" verziju, broj 1.0. Dotadašnja verzija 0.9 mogla je u ne baš zasluženu mirovinu. Kompajliranje 1.0 prošlo je glatko kao podmazano, i odmah su proradile one fizikalne sheme koje nisu htjele u 0.9, ponajprije nova RRTM shema dolaznog i odlaznog zračenja koja ne postoji u starom NMM modelu. Super! Sve je osim sporoće koja se nije popravila izgledalo idilično, model je radio, sad je preostalo samo testirati prognostičku kvalitetu sustava.

I činilo se da radi dobro. Bolje od NMM? Vjerojatno. Barem u onome što smo vidjeli u početku. No počeli su se uočavati problemi. Kako kod nas, tako i kod kolega iz Italije. Temperature nad morem i obalom su bile preniske za ljetne uvjete. Jest, to je tako kod svih modela u pravilu, ali ovdje je bilo izraženije nego drugdje. No nad kopnom, posebice u široj zoni istočne Slavonije, u krugu od 100-200 kilometara sa centrom negdje kod Vukovara, temperature tokom sunčanih ljetnih dana penjale su se i do 45°C, dok su se realne vrijednosti mjerile ne više od 38... 7° prebacivanja temperature iz dana u dan kad je sunčano vrijeme, bilo je debelo previše. Novi pokušaji "popravka", povećanjem frekvencije poziva prema radijacijskim i drugim fizikalnim shemama (čitaj: dodatnim usporavanjem modela) za 20% je ublažilo problem, no 80% pretjerane vrućine je ostalo. Konačno smo pronašli koliko toliko upotrebljivo rješenje, izmjenom NOAH land surface sheme u LISS shemu. I dalje su maksimumi temperature nad tim dijelom kopna bili viši od izmjerenih za barem 2°C u većini ljetnih dana ali je ovo već postalo podnošljivo i nešto što je moglo ići u produkcijsku upotrebu. No uočili smo i problem sa naoblakom koje je bilo generalno manje nego bi trebalo, a često se pojavljivala i kiša u modelu tamo gdje uopće nije predviđena naoblaka... ili barem, ta naoblaka se nije "probila" do postprocessing dijela sustava iz nekog razloga. Jedino rješenje za taj problem bilo je korištenje Thomspon mikrofizičke sheme umjesto manje više standardne Ferrier, ali to bi donijelo novih 30-tak posto usporenja modela čime bi postao definitivno sporiji od WRF-ARW sa adaptivnim time stepping-om, no najveća prepreka korištenja Thompson mikrofizike je bila činjenica da je dobar dio prognostičkih varijabli tad bio nedostupan kroz jedini postprocessing alat za NMMB history datoteke - UPP. Među takvim parametrima koji se nisu mogli dobiti uz Thompson MP su CAPE/CIN, LCL, grmljavinske zone, itd... kad se sve zbroji i oduzme, zaključuje se da je to potpuno neprihvatljiva solucija. Pokušaji rješenja problema kroz službu podrške UPP-a (ovi su se unatoč odgovaranju nakon 2-3 tjedna na svaki mail, pokazali i najsusretljivijima od svih) treba li uopće reći - nisu urodili plodom...

I tako je krenuo Crometeo NMMB sa 0.1°x0.1° grid-om na Ferrier-u, RRTM-u i LISS-u. Davao je relativno prihvatljive rezultate, iako se čini da su mnogi korisnici i dalje birali stari NMM i ARW modele umjesto NMMB. Prehladna obala i malo pretopla Slavonija te slabija naoblaka od realne bili su glavni ali podnošljivi problemi... sve dok nije došao prvi snijeg. A tad počinje horor...

Odjednom s padanjem snijega i njegovom akumulacijom na tlu, dnevne temperature nad područjima pokrivenim snijegom postaju preko 6°C niže od realnih. Razlog - model vidi gotovo nikakvo otapanje snijega s vremenom i zadržava vrlo tanki sloj do besvijesti, dižući albedo površine u nebesa i ne dopuštajući zagrijavanje tla što se reflektira i na vrlo niske maksimume temperature zraka. Problem? LISS land surface shema. Rješenje? Vraćanje na NOAH. Rezultat? Rušenje modela. I tu smo pukli, daljnje pokušaje "popravljanja" stanja odgodili smo za neko novo vrijeme... možda za neku iduću verziju modela koja vrlo vjerojatno neće tako skoro izaći u javnost. Naime, DTC je ostao bez financiranja za podršku NMMB-u i tako je sve stalo s te strane. Kad će se razvoj i podrška ponovo pokrenuti s mrtve točke - nitko ne zna. Korisnička podrška od strane DTC više službeno ne postoji (premda je praktično bila nepostojeća i prije), korisnički forumi poput onih za WRF također ne postoje, a i sam broj korisnika NMMB modela u svijetu je mizeran u usporedbi s WRF-om, tako da je bilo kakve informacije gotovo nemoguće pronaći.

Umjesto Crometeo NMMB, u rekordnom roku smo instalirali našu najmoderniju verziju ARW modela rezolucije 11km s prognozom do 120h preko cijele srednje Europe - i sretno joj bilo do daljnjega. U ovom trenutku to je najbolje rješenje za iskoristiti dodatne CPU resurse koje trenutačno imamo na raspolaganju za ovaj projekt.