WRF Greece και WRF Macedonia. Αριθμητική Πρόγνωση Καιρού από τον Τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του ΑΠΘ

Μια συνέντευξη με τον Επίκουρο Καθηγητή Μετεωρολογίας, κ. Ιωάννη Πυθαρούλη

Αναζήτηση "prediction of" στο Google...

Αν μη τι άλλο, τα έχει εξηγήσει  από παλιά ο Niels Bohr. Όσο κι αν αισθάνεται ο άνθρωπος την ανάγκη να γνωρίζει τα μελλούμενα, αυτό είναι τεχνικά αδύνατο, ιδίως όσο πιο πολύ απομακρυνόμαστε προς τα μπρος από το παρόν. Και υπάρχουν τόσα πολλά για τα οποία αισθανόμαστε την ανάγκη να μάθουμε. Για δείτε την εικόνα με τις αναζητήσεις "prediction of" στο Google…

Οι προβλέψεις για όλα αυτά έχουν την τάση να είναι:

1. Συχνά άκυρες, ακόμα και όταν παίζουμε στο 50%. Θυμάστε τα προγνωστικά για το δημοψήφισμα του 2015 στην Ελλάδα αλλά και για το #Brexit;
2. Άχρηστες επειδή αδυνατούν να μας δώσουν έστω και κατά προσέγγιση το χρονικό σημείο επαλήθευσης της πρόβλεψης. Το «θα γίνει ισχυρός σεισμός μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια κάπου στην Ελλάδα» μπορεί να είναι σχετικά χρήσιμο για μια θεωρητική χάραξη κτιριακής πολιτικής και στρατηγικών ενημέρωσης αλλά δεν είναι μας βοηθάει και ιδιαίτερα να αποφύγουμε το συγκεκριμένο φαινόμενο. Τώρα που το σκέπτομαι βέβαια, στην Ελλάδα ζούμε οπότε τέτοιες προβλέψεις είναι μάλλον άχρηστες ακόμα και σε επίπεδο σχεδιασμού.
3. Παραπλανητικές και δοσμένες από επιτήδειους μιας και απευθύνονται σε άτομα μακριά από κριτική σκέψη και ορθολογισμό. Prediction of 2016? Prediction of gender of unborn calendar και prediction of gender of unborn baby (αν συνεχίσετε την αναζήτηση περί φύλου στο Google)? Χαχαχα… Να πως βρίσκουν δουλειά τα μέντιουμ και οι καφετζούδες.

Εξαίρεση σε όλα τα παραπάνω αποτελεί η επιστήμη που ασχολείται με τη μελέτη και την πρόβλεψη των καιρικών συνθηκών. Η μετεωρολογία έχει παρουσιάσει τα τελευταία χρόνια αξιοσημείωτη βελτίωση στην πρόγνωση του καιρού. υπό προϋποθέσεις και για 4-7 μέρες αλλά υπάρχει μια ουσιώδης διαφορά συγκριτικά με τις προηγούμενες προβλέψεις. Η γνώση του καιρού μέσα στις επόμενες μέρες είναι μια γνώση εξαιρετικά χρήσιμη για τη ρύθμιση αναρίθμητων δραστηριοτήτων στις σύγχρονες κοινωνίες.

Η πρόγνωση του καιρού βασίζεται στα λεγόμενα μοντέλα καιρού τα οποία διαφοροποιούνται με βάση την περιοχή για την οποία δίνουν προβλέψεις και την έκταση αυτής της περιοχής. Για την Ελλάδα υπάρχουν πλέον πολλά μοντέλα καιρού τα οποία βγάζουν online τα προϊόντα της πρόγνωσης αλλά στη συγκεκριμένη ανάρτηση θα σταθώ στα μοντέλα WRF Greece και WRF Macedonia από τον Τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του ΑΠΘ. Τα συγκεκριμένα μοντέλα τα παρακολουθώ αναλυτικά εδώ και περίπου έναν χρόνο και μπορώ να πω ότι έχω εντυπωσιαστεί από την ακρίβεια των προγνώσεων, ιδίως σε ότι έχει να κάνει με το WRF Macedonia και τον καιρό της Μακεδονίας (εξού και το όνομα). Αφορμή για τη συγκεκριμένη παρουσίαση αποτέλεσε η επαφή που είχα στα τέλη της άνοιξης με τον φίλο, καθηγητή μετεωρολογίας του ΑΠΘ Γιάννη Πυθαρούλη και υπεύθυνο λειτουργίας των αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης στο Μετεωροσκοπείο, από τον οποίον είχα ζητήσει να μας παρέχει προγνωστικά grib αρχεία για το Πανευρωπαϊκό Πρωτάθλημα Ιστιοπλοΐας ORC 2016. Οπότε, αντί να μπω στη διαδικασία να σας εξηγήσω τι είναι τα μοντέλα καιρού και τι ακριβώς είναι τα μοντέλα WRF Greece και WRF Macedonia, σας παρουσιάζω τις απαντήσεις του ίδιου του Γιάννη με τη μορφή συνέντευξης.

Πάμε…

Καλησπέρα Γιάννη. Θα ήθελα να μου περιγράψεις με δύο λογάκια το επιστημονικό background της Ομάδας σας και τα αντικείμενα με τα οποία ασχολείστε.

Η Ομάδα ανήκει στο Εργαστήριο Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του Τμήματος Γεωλογίας του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το Εργαστήριο ιδρύθηκε στις 16/01/1929 και έχει ιστορία άνω των 85 ετών στη διεξαγωγή συνεπούς έρευνας μαζί με τις υπόλοιπες επιστημονικές και εκπαιδευτικές του δράσεις. Η Ομάδα έχει μεγάλη εμπειρία στη χρήση των ατμοσφαιρικών αριθμητικών μοντέλων και τα έχει χρησιμοποιήσει σε μεγάλο αριθμό εφαρμογών, όπως η επιχειρησιακή πρόγνωση καιρού, η εκτίμηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η πρόγνωση της ομίχλης με τη συνέργεια των μοντέλων WRF & COBEL, η πρόγνωση πυρκαγιών, κλπ. Η Ομάδας μας παράγει καθημερινά αριθμητικές προγνώσεις καιρού από το 2007 και τις διαθέτει ελεύθερα στους φοιτητές για έρευνα και εκπαίδευση, στην επιστημονική κοινότητα και το κοινό μέσω της ιστοσελίδας του Τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του ΑΠΘ. Επίσης διαθέτει σημαντική εμπειρία στην επεξεργασία και ανάλυση μετεωρολογικών και κλιματικών δεδομένων. 

Τα μέλη της Ομάδας είναι:

• Ο Καθηγητής κ. Θεόδωρος Καρακώστας, Ph.D., Διευθυντής του Τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του ΑΠΘ, καθώς και του ομώνυμου Εργαστηρίου, με κύρια αντικείμενα έρευνας τη Δυναμική και Συνοπτική Μετεωρολογία, την Αριθμητική Πρόγνωση του Καιρού, τα Ακραία Καιρικά Φαινόμενα, τη Μικροφυσική Νεφών, την Τροποποίηση του Καιρού και τις Κλιματικές Μεταβολές. 
• Ο υποφαινόμενος, δηλαδή Επίκουρος Καθηγητής κ. Ιωάννης Πυθαρούλης, PhD, με κύρια αντικείμενα έρευνας τη Συνοπτική και Δυναμική Μετεωρολογία, την Αριθμητική Πρόγνωση του Καιρού και τα Ακραία Καιρικά Φαινόμενα.
• Ο υποψήφιος διδάκτορας κ. Ιωάννης Τεγούλιας, M.Sc., με κύρια αντικείμενα έρευνας τη Συνοπτική και Δυναμική Μετεωρολογία, την Αριθμητική Πρόγνωση του Καιρού και τα Ακραία Καιρικά Φαινόμενα.
• Ο υποψήφιος διδάκτορας κ. Στέργιος Κάρτσιος, MSc, με κύρια αντικείμενα έρευνας την Πυρομετεωρολογία και την Αριθμητική Πρόγνωση του Καιρού.

Αριθμητική Πρόγνωση Καιρού! Χμμ… Προσπάθησε να το εξηγήσεις στους αναγνώστες χωρίς να τους τρομάξεις.

Θα τους τρομάξω αρχικά αλλά θα το ξεμπερδέψω στη συνέχεια. Η Αριθμητική Πρόγνωση του Καιρού είναι μία μεθοδολογία πρόγνωσης των μελλοντικών μετεωρολογικών συνθηκών, η οποία χρησιμοποιεί συστήματα διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τους νόμους της φυσικής και της δυναμικής των ρευστών που διέπουν την ατμόσφαιρα και επιλύονται με αριθμητικές μεθόδους σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Η επίλυση των εξισώσεων γίνεται πάνω σε ένα τρισδιάστατο πλέγμα σημείων που καλύπτει την εκάστοτε περιοχή ενδιαφέροντος (π.χ. την Ελλάδα), οριζόντια και κατακόρυφα, παράγοντας τιμές των διαφόρων μετεωρολογικών παραμέτρων για μελλοντικές χρονικές στιγμές. Με απλά λογάκια, εισάγουμε τα αρχικά δεδομένα του καιρού σε μαθηματικές εξισώσεις και παίρνουμε τις προβλεπόμενες τιμές τους μεταβάλλοντας την παράμετρο του χρόνου.

Οι βασικές μετεωρολογικές παράμετροι που προβλέπονται είναι η θερμοκρασία αέρα, η υγρασία, ο υετός (βροχή, χιόνι, χαλάζι κλπ.), η ταχύτητα και διεύθυνση του ανέμου, η πίεση στη μέση στάθμη της θάλασσας και η νεφοκάλυψη. Φυσικά προβλέπονται και πολλές ακόμα πιο εξειδικευμένες μετεωρολογικές παράμετροι που είναι αναγκαίες στους μετεωρολόγους για να προβλέψουν τον καιρό. Ο μετεωρολόγος χρησιμοποιεί / συμβουλεύεται τις προγνώσεις του μοντέλου, συνδυάζοντάς τις με τις γνώσεις και την εμπειρία του, προκειμένου να εκδώσει την τελική πρόγνωση για μία περιοχή.

Τι είναι το μοντέλο WRF;

Είναι ένα τρισδιάστατο αριθμητικό μοντέλο το οποίο αποτελείται από πλήθος εξισώσεων οι οποίες περιγράφουν τους νόμους που διέπουν την ατμόσφαιρα και μας βοηθάει να μελετήσουμε και να προβλέψουμε τον καιρό. Δηλαδή χρησιμοποιείται όχι μόνο για την πρόβλεψη των μελλοντικών μετεωρολογικών συνθηκών, αλλά και για την ανάλυση και τη διεξαγωγή πειραμάτων σε μετεωρολογικά συστήματα που εμφανίσθηκαν κατά το παρελθόν. Αναφέρουμε ότι το WRF είναι ένα αριθμητικό μοντέλο γιατί οι εξισώσεις επιλύονται, για τεχνικούς λόγους και για μεγαλύτερη ταχύτητα, με τη βοήθεια αριθμητικών μεθόδων σε ισχυρούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Τα δεδομένα που εισάγουμε στο WRF είναι οι μετεωρολογικές παρατηρήσεις των διαφόρων επίσημων μετεωρολογικών σταθμών και των δορυφόρων, αφού πρώτα τους έχει γίνει κατάλληλη επεξεργασία. Το αποτέλεσμα του μοντέλου είναι οι τιμές των μετεωρολογικών παραμέτρων σε διάφορες χρονικές στιγμές ή περιόδους σε σημεία πλέγματος που καλύπτουν την περιοχή ενδιαφέροντος και στις τρεις διαστάσεις. Αυτές τις τιμές συνήθως τις οπτικοποιούμε, τις καταγράφουμε δηλαδή πάνω σε κοινούς γεωγραφικούς χάρτες ή γραφήματα, προκειμένου να δημιουργήσουμε μετεωρολογικούς χάρτες περιοχών (π.χ. της Μακεδονίας) ή χρονοσειρές σε σημεία ενδιαφέροντος (π.χ. στο κέντρο της Θεσσαλονίκης).

Και τι είναι τα WRF - Greece και WRF - Makedonia;

Είναι οι προγνώσεις του Τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του ΑΠΘ, με τη χρήση του μοντέλου WRF,  για τις περιοχές της Ελλάδας και της Μακεδονίας, αντίστοιχα. Στην περιοχή της Ελλάδας τα σημεία του πλέγματος του μοντέλου απέχουν μεταξύ τους 5 χλμ ενώ στη Μακεδονία η αντίστοιχη απόσταση είναι 1.667 χλμ. Συνεπώς οι μετεωρολογικές συνθήκες προβλέπονται με πολύ υψηλή ανάλυση. Για τη δημιουργία των προγνώσεων στις δύο περιοχές έχει πραγματοποιηθεί κατάλληλη διαμόρφωση του μοντέλου WRF έτσι ώστε να ληφθούν υπόψη όλα τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά αυτών των δύο περιοχών, με τη βέλτιστη ανάλυση. Επίσης έχει πραγματοποιηθεί πλήθος πειραμάτων για τη βέλτιστη βαθμονόμηση του μοντέλου και χρησιμοποιούνται τα καλύτερα διαθέσιμα δεδομένα που περιγράφουν καθημερινά τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες στην ευρύτερη περιοχή.

Πόσο εύκολο είναι να περιοχοποιήσεις ένα μοντέλο καιρού;

Για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο με τον καλύτερο δυνατό τρόπο χρειάζεται να πραγματοποιηθούν πολλά πειράματα για τη βαθμονόμηση του μοντέλου, να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα γεωγραφικά δεδομένα της περιοχής (τοπογραφία, χρήσεις γης κλπ) με υψηλή χωρική ανάλυση και να γίνεται συνεχής αξιολόγηση των προγνώσεων έτσι ώστε να εντοπιστούν και να διορθωθούν ενδεχόμενα συστηματικά σφάλματα. Επομένως, η σωστή περιοχοποίηση ενός μοντέλου καιρού χρειάζεται εξειδικευμένες επιστημονικές γνώσεις, κατάλληλα μετεωρολογικά δεδομένα και εμπειρία πάνω στον καιρό της περιοχής ενδιαφέροντος.

Ερώτηση παγίδα με Grexit VS Brexit. Σε ποια έξοδο των μοντέλων παίρνουμε καλύτερα αποτελέσματα από τα μοντέλα καιρού; Ποια από τις δύο χώρες έχει πιο δύσκολα προβλέψιμο καιρό; Η Αγγλία με τον ευμετάβλητό της καιρό ή η Ελλάδα με το ανάγλυφό της;

Όπως αναφέρεις και στην ερώτηση, η πρόγνωση του καιρού στην κάθε περιοχή έχει τις δικές δυσκολίες. Κατά τη γνώμη μου το μεγαλύτερο πρόβλημα και των δύο περιοχών είναι η έλλειψη και η ποιότητα των μετεωρολογικών δεδομένων κυρίως σε ανάντη περιοχές που καλύπτονται από θάλασσα. Στην Ελλάδα το πρόβλημα της έλλειψης / διαθεσιμότητας συγκεκριμένων δεδομένων (π.χ. από ραντάρ, εδαφικής υγρασίας) υπάρχει και εντός της χώρας. Επομένως, πρέπει να πω ότι στην Ελλάδα η μετεωρολογική κοινότητα συναντάει σοβαρές δυσκολίες και καταβάλει μεγάλες προσπάθειες για την κατάλληλη βαθμονόμηση και αξιολόγηση των αριθμητικών μοντέλων καθώς και τροφοδότησής τους με υψηλής ανάλυσης δεδομένα εισόδου. Παρ’ όλα αυτά βλέπουμε ότι η ποιότητα των προγνώσεων, παρά τις όποιες αστοχίες, συνεχώς βελτιώνεται.

Έχετε κάποια μέθοδο αξιολόγησης των παραγόμενων αποτελεσμάτων; Εγώ προσωπικά, και εντελώς εμπειρικά, παρακολουθώντας το μοντέλο σας συγκριτικά με τα υπόλοιπα ελληνικά, έχω εντυπωσιαστεί με την ακρίβειά του, τόσο χρονικά όσο και ποιοτικά.

Ευχαριστώ για τα καλά σου λόγια. Φυσικά πραγματοποιείται συνεχής έλεγχος της ικανότητας του μοντέλου να προσομοιώνει έντονα καιρικά φαινόμενα καθώς και αξιολόγηση των επιχειρησιακών μας προγνώσεων. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια. Η αξιολόγηση γίνεται με αντικειμενικές μεθόδους και βασίζεται κυρίως στη σύγκριση των αποτελεσμάτων του μοντέλου με τις μετρήσεις των διαθέσιμων μετεωρολογικών σταθμών (στην Ελλάδα και τις γειτονικές χώρες) και μετεωρολογικών ραντάρ. Χρησιμοποιούνται τόσο οι κλασσικές σημειακές μέθοδοι αξιολογήσεων όσο και πιο σύγχρονες μέθοδοι όπως η αντικειμενοστραφής (object-based) αξιολόγηση και η αξιολόγηση σε γειτονικές περιοχές (neighborhood-based).

Σ’ ευχαριστώ πολύ για τις πληροφορίες. Παρεμπιπτόντως να σου πω ότι το feedback που πήραμε, από τους ιστιοπλόους που χρησιμοποίησαν τα προγνωστικά σας αρχεία για το Πανευρωπαϊκό Πρωτάθλημα ORC, ήταν διθυραμβικό. Το μοντέλο σας έπιανε, τόσο χρονικά όσο και ποιοτικά, ακόμα και τις περίεργες αλλαγές της μπουκαδούρας μέσα στον Τορωναίο, τις οποίες γνωρίζουμε μόνο οι καλοί γνώστες της περιοχής!

(Γελάει, ως συνήθως…) Ευχαριστούμε πολύ! Στη διάθεσή σας…

WRF Greece και WRF Macedonia