Meteorologeille sääennusteiden syntymisen vaiheet ovat opintojen jälkeen ja työn kautta niin itsestäänselviä, että on usein helppo unohtaa, että suurimmalle osalle ennusteiden käyttäjistä niiden syntymekanismi on hämärän peitossa. Tässä blogitekstissä on lyhyt kuvaus siitä, kuinka sivuillemme päätynyt ennuste oikein syntyy – ja miksi ennusteiden luotettavuus väistämättä heikkenee kaikilla sääennusteiden tuottajilla ennusteiden loppupäätä kohden.
Nykyaikana pääosan sääennusteesta luo aina tietokoneiden sääennustemalli. Malleja on maailmalla useita erilaisia, jotka käyttävät hieman toisistaan poikkeavia laskutapoja ja fysikaalisia kaavoja ilmakehän mallintamiseen. Kaikkien pyrkimys on kuitenkin sama: kuvata ilmakehän sääilmiöiden liikkeitä ja tapahtumia mahdollisimman pitkälle tulevaisuuteen. Tämä on tehtävä mahdollisimman yksinkertaisia laskutoimituksia ja -kaavoja käyttäen, jotta ennuste ehtii valmistua järjellisessä ajassa.
Keskimäärinen säätä ennustava tietokonemalli toimii (yksinkertaistetusti) seuraavasti:
Mallinnusta varten koko maapallo jaetaan ruudukoksi, jossa ruutujen sivun pituus on 13-20 kilometrin luokkaa. Koska sääilmiöt tapahtuvat ja liikkuvat maanpinnalta 10-20 km korkeuteen ulottuvassa ilmakerroksessa, ruutuja tarvitaan useassa kerroksessa myös pystysuunnassa.
Ruudukon ruutujen jokaiselle leikkauspisteelle annetaan arvot meteorologiselle perussuureille, esim. lämpötilalle, tuulen suunnalle ja nopeudelle, ilmanpaineelle ja -kosteudelle. Kun nämä arvot eli lähtötilanne on tiedossa, malliajo voidaan ”käynnistää”.
Kun malli käynnistetään, se laskee maapalloruudukon jokaisessa pisteessä ennalta määritellyn listan ilmakehän käyttäytymistä kuvaavia fysikaalisia laskutoimituksia. Kun koko maapallon kaikki laskutoimitukset on suoritettu, tuloksena on uudennäköinen säätilanne – se, minkälainen sää tulee ennustemallin mukaan olemaan kolmen tunnin, meteorologien kielenkäytössä yhden aika-askeleen, päässä ennusteen aloitushetkestä. Jokainen maapalloruudukon piste on siis laskutoimitusten tuloksena saanut uudet arvot lämpötilalle, tuulelle jne.
Seuraavaksi suoritetaan uudelleen samat fysikaaliset laskutehtävät kussakin pisteessä käyttäen näitä uusia arvoja alkutilanteena, tuloksena on aika-askel 2: säätilanne kuuden tunnin päästä alkuhetkestä. Laskut lasketaan yhä uudelleen ja uudelleen, kunnes malliajo, ennuste 10 vuorokauden päähän, on valmis.
Havaintoasemat – alkuarvauksen ongelma
Ennustemallin ajon periaate on yksinkertainen ja tehokas. Kussakin tietokonemallissa (malleja tekee ja ajaa maailmassa useampi eri organisaatio) käytetyt laskut ovat lähes samanlaisia, mutta hienosäädössä on eroja; sen takia kullakin mallilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa. Kaikilla malleilla on kuitenkin sama ongelma: alkuarvojen luotettavuus.
Voidakseen kuvata säätilanteen etenemistä, sääennustemalli tarvitsee jokaiselle maapalloruudukon pisteelle paikkansapitävät tiedot pisteessä sillä hetkellä vallitsevasta säätilanteesta. Nämä tiedot tulevat pääosin havaintoasemilta: ympäri maapalloa asennetuista mittareista, joita hallinnoi kunkin maan oma meteorologinen viranomainen.
Sääennustemallin maapalloruudukon pisteet ovat tasaisten välimatkojen päässä toisistaan ja kattavat koko maapallon. Samaa ei voi sanoa havaintoverkostosta: havaintoasemat ovat parhaimmilla alueilla muutaman kilometrin päässä toisistaan, mutta etenkin maapallon harvaan asutuilla alueilla sekä merialueilla välimatkat havaintoasemien välillä voi olla satoja kilometrejä. Kun kunkin havaintoaseman lähettämät säätiedot sijoitetaan ennustemallin ruudukkoon, ruudukkoon jää valtava määrä tyhjiä pisteitä, joiden säätilasta ei yksinkertaisesti ole tietoa. Näiden pisteiden säätila on pakko arvata ympäristön arvoja hyväksi käyttäen. Pinnan yläpuolisesta ilmakerroksesta tietoja saadaan vielä huomattavasti vähemmän – esim. Suomessa pystysuunnan mittauksia tekeviä sääluotauksia tehdään kolmessa paikassa, kussakin vain kahdesti vuorokaudessa! Suuri osa ilman liikkeistä ja tapahtumista jää siis mittausten ulkopuolelle. Arvauksilla on suuri rooli sääennusteiden syntymisessä.
Kun sääennustemallia aletaan ajaa, liikutetaan jokaisella aika-askeleella eteenpäin sään tiedettyjen, havaintoasemalla mitattujen arvojen lisäksi niiden välille tehtyjä arvauksia. Jokaisella aika-askeleella arvausten vaikutus liikkuu pidemmälle ja sekoittuu tiedettyjen arvojen liikkeisiin. Siksi sääennusteissa väistämättä ennusteen luotettavuus heikkenee ennusteen edetessä. Tätä ongelmaa ei voida tieteen ja tekniikan tämänhetkisillä keinoilla ratkaista: ei ole olemassa havaintomenetelmiä, jotka antaisivat kaikki tarvittavat säätiedot myös mittausasemien ja -hetkien välillä.
Ennusteiden tarkkuus silti jo hyvä
Valopilkkuna pimeydessä: tilanne ei onneksi ole niin toivoton kuin miltä näin esitettynä kuulostaa. Ongelmista huolimatta muutaman päivän ennusteet toteutuvat jo suhteellisen hyvällä tarkkuudella, pidemmälle ulottuvien ennusteiden kannattaa ajatella kertovan pikemmin säätyypeistä (vakaa korkeapainesää/epävakainen, ajoittain sateinen sää) kuin sateiden tulevista tarkoista paikoista ja ajoista.
Meillä Forecalla ennusteita tehdessä tietokoneiden osaamiseen yhdistetään meteorologien tietotaito: meteorologit muokkaavat tietokonemallien ennusteita muutaman päivän osalta käsin hioakseen kuluttajille näkyvät ennusteet mahdollisimman onnistuneiksi.
