Pojavom numeričkih modela za simulaciju atmosfere primjetan je značajan trend potpuno pogrešne upotrebe podataka koji oni daju. Ovim tekstom ćemo nastojati razjasniti nejasnoće s kojima se susreću ne samo laici već i oni koji bi trebali poznavati materiju mnogo detaljnije. Također ćemo pokušati upozoriti na glavne greške koje rade pri tumačenju rezultata numeričke simulacije.
Nemojte postavljati kočiju ispred konja
Sjećate se konja i kočije zar ne? Vi mlađi možda niste ali stariji su sigurno bar jednom vidjeli nešto takvo uživo. Šalu na stranu, ali konj vuče kočiju i samo onda ako je konj ispred kočije, kompozicija će se moći kretati kako je to zamišljeno. Međutim postavite li kočiju ispred konja, stvari će biti bitno drugačije i vrlo je vjerojatno da konj neće biti u stanju dovesti kočiju i kočijaša na odredište, ma koliko se pritom trudio.
Problem kočije ispred konja pojavio se i naglo proširio razvojem numeričke meteorologije. U današnje doba kad je snaga računala dovoljna da ona simuliraju ponašanje atmosfere u sasvim solidnoj količini detalja, mnogi nastoje izraditi vlastitu vremensku prognozu na temelju dostupnih rezultata modela. I to u pravilu rade vrlo pogrešno. Vrijeme je da učinimo što možemo kako bi ukazali na greške koje pritom rade i na taj način i njima i sebi pomogli. U čemu oni griješe? Jednostavno, postavljaju kočiju ispred konja i na taj način ne mogu doći do cilja – pouzdane vremenske prognoze. Umjesto pouzdane prognoze sve što dobiju je solidna doza nezadovoljstva, frustracije i općenito pogrešnog dojma. Tad razloge greške traže ponovo na krivim mjestima; neki optužuju programere i softver, neki optužuju državne agencije za loša mjerenja, neki za neuspjeh njihove prognoze optužuju promjene klime, a neki se okreću ekstremnim zaključcima pa smatraju kako su krive prognoze posljedica namjernog djelovanja na vrijeme pomoću tzv. “chemitrails-a” ili HAARP sustava. Nitko od njih nije u pravu, već problem leži u kočiji koja se nalazi na krivome mjestu u odnosu na konja.
Idemo sad vidjeti što je konkretno konj a što kočija kad je u pitanju numerička simulacija atmosfere.
Piramida vremenske prognoze
Analogiju s konjem i kočijom na primjeru vremenske prognoze napravit ćemo pomoću “piramide vremenske prognoze”. U piramidi je vidljivo nekoliko različitih nivoa. Najniži nivo piramide označava njezin temelj i tako se naša, baš kao i svaka druga piramida, bez dobrog temelja lako urušava. Vrh piramide već nije toliko bitan, ako joj otkinemo vrh ona će i dalje sličiti na piramidu, doduše malo krnju, ali građevina će i dalje biti stabilna i postojana. To se ne može reći ako joj razorimo temelje. Prema tome, za pouzdanu, kvalitetnu vremensku prognozu, ono što je najvažnije nalazi se u temelju piramide, te kako se penjemo prema njezinom vrhu, dolazimo do onog što je sve manje i manje bitno.
Piramida vremenske prognoze nam tako kaže da je za pouzdanu prognozu najvažnije razumjeti osobine i kretanje zračnih masa nad područjem za koje želimo izraditi prognozu, te budući da atmosferske fronte odijeljuju zračne mase različitih karakteristika, također i položaj i kretanje s njima povezanih atmosferskih fronti. Kad znamo sve bitne karakteristike zračnih masa, položaj i osobine baričkih sustava (ciklona i anticiklona) bit će sljedeće najbitnije stvari koje ćemo trebati proučavati. Naravno, ciklone i anticiklone će biti značajno povezane sa zračnim masama i osobito njihovim kretanjem, pa tako najniža dva nivoa piramide vrlo teško možemo promatrati odvojeno. Možemo smatrati kako su ta dva nivoa zapravo cjeloviti temelj piramide.
Tek iza proučavanja temelja, treba vidjeti kako na zračne mase i njihove osobine utječe podloga, u prvom redu more ili kopno preko kojeg prelaze, te ako je u pitanju kopno kakav je reljef. Podloga s vremenom modificira stanje zračnih masa i stoga je sljedeći bitan čimbenik koji određuje razvoj vremenske situacije.
I tek na kraju kad smo dobili cjelokupnu sliku onog što se fizikalno događa na široj prostornoj skali, promatrajući ili stvarna mjerenja ili rezultate simulacije modela niže rezolucije (globalnih ili regionalnih koji pokrivaju šire područje kao npr. MeteoAdriatic ARW 10km), ima smisla gledati detalje poput konkretnih pojava koje simuliraju numerički modeli visoke rezolucije – količinu i raspored oborina, lokalne vjetrove, prognoziranu temperaturu zraka, pojavu grmljavinske naoblake i slične “atmosferske entitete” stvorene simulacijom modela. Ti podaci nam neće biti od presudne važnosti onda kad smo stvorili vremensku prognozu u “grubim crtama” temeljenu na – upravo temeljima piramide.
Ukratko ćemo razložiti što se u kom nivou piramide nalazi.
NIVO 1: Osobine zračnih masa i atmosferske fronte
Krećemo od najvažnijeg aspekta vremenske prognoze – osobina zračnih masa i fronti. Riječ je o prvom, najnižem – temeljnom nivou naše piramide. Prema tome njemu ćemo posvetiti i najviše pažnje pri postavljanju vremenske prognoze. Osnovna greška koju mnogi rade pri tumačenju rezultata simulacije je pregledavanje rezultata oborina, vjetra, temperatura na 2 metra visine… dok osobine zračnih masa uopće ne proučavaju. Time rade kritičnu grešku i ostavljaju svoju vremensku prognozu na milost i nemilost grešaka softvera, nepoznanica u poznavanju stvarnog stanja atmosfere kao inicijalnog stanja modela, te nedeterminističkih efekata kaotičnosti sustava kao što je Zemljina atmosfera.
Što sve spada pod osobine zračnih masa? Ako su vam potrebne detaljnije informacije da bi dobili solidnu teorijsku podlogu, preporučujemo vam da nabavite knjigu “Opća i prometna meteorologija” od autora Branko Gelo. Ovdje ćemo se samo dotaknuti osnova teorije zračnih masa. Zračne mase su područja u atmosferi koja su poprimila određena svojstva zadržavanjem nad određenim područjem. Pod njihove glavne fizikalne osobine spadaju temperatura, vlažnost i stabilnost, a geografskim se osobinama može smatrati mjesto njihova nastanka. Tako možemo zračne mase dijeliti prema osobinama na primjerice ekvatorske, tropske, polarne, arktičke – zavisno o geografskoj širini porijekla. Prema podlozi nad kojom nastaju mogu biti morske ili kopnene, ali nas najviše zanimaju fizikalne osobine, pa tako zračna masa može biti topla ili hladna, suha ili vlažna te stabilna ili nestabilna.
Topla zračna masa je ona koja struji iz toplijeg područja u hladnije. Kod nas su to u pravilu zračne mase koje struje s juga i jugozapada. Najčešće su ili morske ako im je porijeklo Sredozemlje, ili kopnene ako su nastale nad Afričkim tlom. Hladna zračna masa je ona koja struji iz hladnijeg u toplije područje. U naše krajeve takve zračne mase dolaze sa sjeverozapada (morske, nastale nad sjevernim Atlantikom), sa sjevera (nad Arktikom ili sjevernom Europom – morske ili kopnene), te sa sjeveroistoka (kopnene, nastale nad euroazijskim kopnom).
S obzirom da zračne mase mijenjaju svoja svojstva prelaskom preko drugačije podloge, te da relativna vlažnost zraka opada njegovim zagrijavanjem i obratno, u pravilu su hladne zračna mase ujedno i suhe. Manje su suhe morske hladne (koje dolaze sjeverozapadnim strujanjem, nastale nad Atlantikom) budući da su inicijalno vlažne (jer su morske). Znatno su više suhe hladne kopnene, posebice sibirska zračna masa koja dolazi sa sjeveroistoka i na putu do nas se značajno zagrije (= dodatno osuši). Kontrastno tome, tople zračne mase su vlažne. Manje vlažna je kopnena topla (porijeklom sa sjevera Afrike koja je u ravnoj putanji relativno brzo prešla Sredozemlje te se nije stigla značajno “napuniti” vlagom), dok je mnogo vlažnija morska topla (u nas je to zračna masa koja se dulje vrijeme zadržala kružeći unutar ciklonalnog sustava nad Sredozemljem i tako “napunila” vodenom parom te zatim stigla nad nas).
Nestabilne su zračne mase one kojima brzo opada temperatura i/ili vlažnost porastom visine. Posebice su nestabilne one koje su vrlo tople i vlažne pri tlu a hladne i suhe na većoj visini. Stabilne su one zračne mase kojima sporo opada temperatura porastom visine ili je sličan raspored vlage (suhe pri tlu a vlažne na većoj visini). Stabilnost je u pravilu povezana s prethodnim karakteristikama, pa su tako tople zračne mase u pravilu nestabilne ako ima dovoljno vlage u nižim slojevima, no pretežno stabilne ako su donji slojevi suhi a viši slojevi vlažni. Hladne zračne mase su pretežno stabilne, osim u situacijama kad je podloga jako zagrijana te dolazi do povećanja temperature donjih slojeva i isparavanja vlage u njih, dok gornji dulje vrijeme ostaju hladniji i manje vlažni (česte situacije ljeti kad je podloga vruća a sa sjeverozapada dođe do prodora hladnije atlanske zračne mase).
Ok, sad kad ovo znamo, kakve to ima posljedice na vrijeme? Možemo izvući temeljna pravila:
- U toploj zračnoj masi temperature su – očito, više od prosjeka
- U hladnoj zračnoj masi temperature su niže od prosjeka
- U vlažnoj zračnoj masi treba očekivati naoblaku i oborine, i obratno, posebice ako je ona usput i nestabilna
- U suhoj zračnoj masi treba računati na vedrije vrijeme, ali ako je suha, hladna i stabilna, nad kopnom se često javlja magla
- U stabilnoj zračnoj masi naoblaka je slojevita (cirusi/stratusi), a oborine postojane i mirne
- U nestabilnoj zračnoj masi naoblaka je kumulusna, grmljavinska a oborine pljuskovite uz česte neverine
Lijepo, a što je s frontama? Fronte su područja gdje se dvije zračne mase na neki način dodiruju i njihova svojstva se miješaju. Ukoliko su zračne mase stacionirane i ne kreću se jedna prema drugoj, riječ je o stacionarnoj fronti. No ako se jedna zračna masa strujanjem atmosfere kreće prema drugoj, onda je fronta pokretna i može biti topla (ako topla zračna masa struji prema hladnoj) ili hladna (obratno). Postoje još neke vrste fronti no kako bi zadržali tekst kratak nećemo ih opisivati. Ako topla fronta prelazi preko nekog područja, u pravilu temperatura zraka raste, vlažnost je također do fronte u konstantnom porastu, a javlja se i cijeli niz pojava poput slojevite naoblake i često široke oborinske zone pri čemu su oborine mirnog karaktera. Suprotno tome pri prelasku hladne fronte u pravilu temperatura padne, a također i vlažnost, posebice ako je nadolazeća hladna masa kopnenog porijekla. Zona značajne naoblake i oborine je značajno uža nego u slučaju tople fronte, trajanje oborina je također kraće, ali su i naoblaka i oborine intenzivnije. Oblaci su često grmljavinski, posebice ako je atmosfera nestabilna (većinom u toplom dijelu godine). Također bitno je promatrati vlažnost zračnih masa s obje strane fronte. U slučaju da primjerice nadolazeća hladna zračna masa iza hladne fronte ima vrlo malu vlažnost (kopnena), oborine će često potpuno izostati ili biti vrlo rijetke. Slične modifikacije treba izvesti i za sve druge kombinacije temperature, vlažnosti i stabilnosti, kombinirajući promjene vremena nastale prolaskom fronte sa gornjih 6 pravila temeljenih na fizikalnim svojstvima zračnih masa koje su u pitanju.
A kako detektirati osobine zračnih masa i fronte na našim kartama? Ovo nije ni izbliza iscrpni popis, samo kratko par ideja:
- Temperatura zračne mase: temperatura na 850hPa, relativna topografija 1000/850hPa, …
- Vlažnost zračne mase: relativna vlažnost 950-500hPa, oboriva voda, …
- Stabilnost zračne mase: MLCAPE, potencijalna nestabilnost,…
Fronte je također moguće uspješno detektirati na karti temperature 850hPa (područja naglih kontrasta temperature – ako se ne kreću tijekom vremena je stacionarna, inače je topla ili hladna).
Povezana s atmosferskim frontama su i područja mlaznih struja, visinskih vjetrova velikih brzina u relativno uskoj geografskoj zoni. Mlazne struje se u pravilu nalaze na visini iznad atmosferske fronte a bitne su zbog dinamičkih efekata koje imaju na ulazna i silazna strujanja zraka. U području lijevo od osi mlazne struje gdje ona počinje slabiti (tzv. izlazna regija mlazne struje) nastaje visinsko razilaženje zraka što dovodi do uzlaznih strujanja a time i povećane vjerojatnosti za naoblaku i oborine. Slično se događa u desnom početnom (ulaznom) kvadrantu mlazne struje, a suprotno (visinska konvergencija) u desnom završnom i lijevom početnom kvadrantu mlazne struje. Mlazne struje se detektiraju na kartama visinskih vjetrova (npr. 300hPa).
NIVO 2: Položaj i osobine baričkih sustava
Osnovni barički sustavi su ciklona i anticiklona. Ciklone mogu biti termičke (sniženi tlak uslijed zagrijavanja podloge ljeti nad kontinentom i tad su unutar jednorodne zračne mase i nepokretne), ili dinamičke (nastale na planetarnoj fronti i tad imaju dvije zračne mase; toplu i hladnu koje odijeljuju sa sustavom povezane fronte i pokretne su, uglavnom od zapada prema istoku). Anticiklone također mogu biti termičke ili dinamičke, no za razliku od ciklone nemaju fonte niti dvije strogo odijeljene zračne mase. Termičke anticiklone nastaju hlađenjem podloge (zimi nad kontinentom) a dinamičke nastaju spuštanjem zraka, posebice u području suptropskog pojasa visokog tlaka uslijed globalne cirkulacije atmosfere. Statičke anticiklone imaju hladnu zračnu masu, a dinamičke toplu. U cikloni zrak struji spiralno, suprotno kazaljci na satu, od ruba prema središtu, a u anticikloni u smjeru kazaljke na satu, od središta prema rubu. Vertikalno promatrajući, u cikloni prevladavaju uzlazna strujanja zraka, posebice bliže središtu i u području njezinih fronti, a u anticikloni su gotovo posvuda silazna strujanja zraka. Uzlazna strujanja pogoduju naoblaci i oborinama a silazna vedrom vremenu.
Možemo dati osnovna pravila kakvo vrijeme nastupa u kojem dijelu ciklone ili anticiklone.
- U statičkim ciklonama je vrlo topla i obično nestabilna zračna masa no često suha jer sustav nastaje nad kopnenim područjem i zbog toga su oborine rijetke ali ako ih ima često su pljuskovitog karaktera. Oborine su češće u područjima gdje vjetrovi s mora donose vlagu nad zagrijano kopno, kad se stvaraju svi preduvjeti za pojačanu nestabilnost, uzlazna strujanja i nastanak grmljavinskih oblaka.
- U istočnom kvadrantu dinamičke ciklone pušu južni/jugoistočni vjetrovi, temperatura je iznad prosjeka, približavajući se centru ciklone naoblaka i oborine su sve češća pojava.
- U zapadnom kvadrantu dinamičke ciklone prevladavaju sjeverni i sjeverozapadni vjetrovi, temperatura je niža od prosjeka, a naoblake i oborine je mnogo manje u usporedbi sa istočnim kvadrantom.
- U sjevernom kvadrantu vjetrovi su hladni, istočni i sjeveroistočni; zimi je taj kvadrant najpovoljniji za snijeg. U južnom kvadrantu su zapadni i jugozapadni vjetrovi i temperatura većinom malo iznad ili oko prosjeka.
- U dinamičkoj anticikloni vrijeme je vrlo toplo, stabilno, vedro i suho uz slabe vjetrove čiji smjer ovisi o kvadrantu, pri čemu je vjetar najslabiji blizu središta anticiklone a jači prema rubu.
- U statičkoj anticikloni nad kopnom u hladnom dijelu godine često prevladava magla i temperaturna inverzija pri čemu su nizine tmurne i hladnije od planinskih područja gdje je sunčano i toplije.
- U područjima blizine atmosferskih fronti (slučaj dinamičke ciklone), pravila treba kombinirati s pravilima koja su navedena za fronte i mlazne struje.
Baričke sustave, njihove osobine i položaj te kretanje, valja proučavati na kartama prizemnog tlaka zraka.
Osim osnovnih baričkih sustava u prizemnom sloju atmosfere, slični sustavi formiraju se i u slobodnoj atmosferi. Njih zovemo (visinskim) grebenima i dolinama budući da gledajući trodimenzionalni prikaz izobarnih ploha u slobodnoj atmosferi, u području visinske anticiklone (strujanje u smjeru kazaljke na satu) nastaje konveksan oblik (ispupčene izobarne plohe poput grebena) a u području visinske ciklone (strujanje suprotno kazaljci na satu) nastaje konkavan oblik izobarnih ploha poput doline. Područja grebena su ujedno i područja toplih i suhih zračnih masa i stabilne atmosfere, pretežno vedrog vremena, dok su područja dolina ispunjena hladnim i vlažnim zrakom, uz dosta naoblake i česte oborine. Ipak količina vlage, naoblake i oborine podosta zavisi o izvorištu zračne mase, pa tako ne smijemo zaboraviti pravila iz nivoa 1, uvijek poštujući našu piramidu važnosti.
Položaj, osobine i kretanje visinskih sustava pratimo uglavnom na kartama apsolutne topografije (najčešće 500hPa).
NIVO 3: Utjecaj orografije i podloge
Podloga i orografija (reljef) modificiraju osobine zračnih masa koje prelaze preko nje kako je već opisano u nivou 1. Ako se zračna masa zadržava dulje nad podlogom određene osobine, ona tad poprima njezina obilježja. Primjeri za takve situacije su zagrijavanje hladne zračne mase koja prelazi preko tople podloge ili povećanje vlažnosti zračne mase koja prelazi preko morske površine.
Orografija utječe prvenstveno na smjer i brzinu zračnih strujanja i to ne samo prizemnim već donekle i visinskih. Kompleksan reljef usporava zračna strujanja trenjem, pa će tako nad morem brzine vjetra biti u pravilu veće nego nad kopnom. Smjer zračnih strujanja a time i kretanja zračnih masa u značajnoj mjeri modificiraju veći planinski lanci, pa tako primjerice oceanska zračna masa koja sa sjeverozapada naiđe nad europsko kopno, dolaskom do Alpa bitno promijeni svoj prvotni smjer kretanja i često zaobilazi Alpe s obje strane poput riječne struje koji zaobilazi otok u svojem toku.
Orografija također stvara i prisilna uzlazna i silazna zračna strujanja onda kad zrak ne može zaobići prepreku već je prisiljen dizati se preko nje na privjetrinskoj strani i spuštati u dolinu na zavjetrinskoj strani prepreke. Na privjetrinskoj strani tad dizanjem nastupa suhoadijabatsko hlađenje (1°C/100m) do postizanja temperature rosišta nakon čega nastupa ukapljivanje vodene pare, nastaje oblak, često i oborina, a daljnje hlađenje se odvija po mokroadijabatskoj stopi (<1°C/100m) do vrha prepreke. Nakon prelaska prepreke počinje spuštanje, adijabatsko zagrijavanje po stopi od 1°C/100m i gotovo odmah nastupa isparavanje vodenih kapljica oblaka koji se tad popularno zove “planinska kapa” zbog specifičnog izgleda gledajući iz zavjetrinske doline. Vjetar koji nastaje spuštanjem se naziva katabatički vjetar (kod nas je to u pravilu bura). Također, zbog zagrijavanja spuštanjem vjetar u pravilu ima tzv. fenski efekt i u zavjetrinsku dolinu dolazi kao suh i topao, osim ako mu je izvorišna temperatura vrlo niska i dolazi u toplo područje kad se osjeća kao suh i hladan (zimi bura na Jadranu).
NIVO 4: Simulacija pojava putem numeričkih modela
Tek nakon što su proučene osobine zračnih masa, baričkih sustava te utjecaja orografije i podloge, potrebno je proučiti i konkretne pojave koje simulira numerički model kao što su primjerice položaj oblačnih i oborinskih sustava, količina oborine, vrsta oborine, brzina uzlaznih konvektivnih strujanja, količina akumuliranog snijega, brzina udara vjetra, simulirana radarska reflektivnost i drugi konkretni entiteti koje simulira model. Pritom je jako bitno da se u obzir uzme princip rada modela i njegove greške te ograničenja. Greške prognostičkog softvera su povezane s nepoznavanjem točnog inicijalnog stanja atmosfere, nesavršenošću samog matematičkog modela atmosfere i samom prirodom nepredvidivog ponašanja nelinearnog dinamičkog sustava kao što je atmosfera. Pri evaluaciji rezultata simulacije modela moraju se također uzeti u obzir i mogućnosti modela u smislu njegove konfiguracije kao što su ograničenja u rezoluciji simuliranih entiteta koja su određena udaljenošću točaka mreže modela, zatim korištenim fizikalnim i dinamičkim parametrizacijama itd. Bitno je prepoznavanje situacija u kojima model učestalo daje pogrešne rezultate uslijed slučajnih grešaka te prepoznavanje uobičajenih sistemskih grešaka. Iskustvo prognostičara je tad od neprocjenjive važnosti jer je on ta zadnja karika koja je potrebna da se isprave spomenuti nedostaci, ograničenja i greške modela prije sastavljanja konkretne vremenske prognoze.
