Säämallit

Tuuliatlaksen tekemiseen on käytetty kolmea säänennustusmallia (IFS, HIRLAM ja AROME) sekä yhtä tuulimallia (WAsP).

Säänennustusmalleista yleensä

Säänennustusmallissa ilmanpaineen, tuulen, lämpötilan, kosteuden, pilvien, sateen, auringonpaisteen sekä muiden sääsuureiden kulku lasketaan fysikaalisten yhtälöiden (jatkuvuus, lämpötila, liikemäärä ja kosteus) avulla hetki hetkeltä kaikissa mallin laskentapisteissä, niin että syntyy kattava, kolmiulotteinen ajassa etenevä kuva ilmakehän tilasta. Säätä ennustettaessa mallisää saadaan seuraamaan todellista sään kehitystä käynnistämällä malli yhä uudelleen, esimerkiksi kuuden tunnin välein, havaintoja vastaavasta alkutilasta.

Säämallin tuottamaa tietoa voidaan käsitellä ikään kuin havaintoja. Siitä voidaan esimerkiksi laskea keskiarvoja ja muita tilastollisia tunnuslukuja mille tahansa mallissa kuvatulle suureelle tai suureiden yhdistelmälle, minne tahansa mallin laskenta-alueella. Menetelmän suurin etu on mallitiedon kattavuus. Mikään havaintojärjestelmä ei pystyisi tuottamaan edes yhdeltä ajanhetkeltä näin monipuolista tietoa yhtä laajalta alueelta.

Sekä luonnossa että mallissa sään kehitystä säätelevät samat fysiikan lait, jotka mallissa kuvataan matemaattisina yhtälöinä. Säämallin tuottama tieto ei kuitenkaan ole täysin verrattavissa havaintoon, sillä yhtälöitä joudutaan yksinkertaistamaan, ja lisäksi kukin laskentapiste edustaa mallissa pikemminkin tietyn kokoista mallista riippuvaa tilavuutta kuin varsinaista pistettä. Mitä tiheämmässä mallin laskentapisteet sijaitsevat, sitä pienempää aluetta kukin piste edustaa, ja sitä pienikokoisempia ilmiöitä tai rakenteita malli pystyy käsittelemään. Toisaalta pistehavainnot eivät nekään ole koko totuutta sillä ne edustavat tiettyä rajattua aluetta, jossa paikalliset olosuhteet vaikuttavat voimakkaasti. Seurauksena pistehavaintoja ei voida pitää mallinhilatilavuuden vastaavana totuutena.



Säämallissa kussakin hilaruudussa käytettävän maaston korkeuden ja rosoisuuden erottelukyky riippuu mallin hilakoosta, eli mittakaavasta, kuten kaikissa karttaesityksissä. Kuvassa on esimerkki säämallin "näkemästä" maaston korkeudesta hilaruuduittain vaakasuuntaiselta resoluutioltaan erilaisissa malleissa. Mallin hilakoot vasemmalta oikealle 2,5 km, 7,5 km ja 80 km.

AROME sääennustusmalli

Hienohilaisella ei-hydrostaattisella (eli mesoskaalan) AROME-mallilla ennustettavia suureita ovat ilman kolmiulotteinen liike eli vaakasuora tuuli ja pystynopeus, paine, lämpötila, ilman kosteussisältö, kahden erilaisen pilvihiukkaslajin määrä, pilvien peittävyys, kolmen erilaisen sadehiukkaslajin määrä, sekä pienimittaisen turbulenssin liike-energia. Lisäksi malli ennustaa lämpötilaa ja kosteutta maanpinnassa ja maaperässä, lumipeitettä, sekä lämpöenergian, kosteuden ja liikemäärän vaihtoa maanpinnan ja ilmakehän välillä.

Maanpinta koostuu mallissa vedestä, joka voi olla jäässä, tai maasta, joka voi olla kasvillisuuden peitossa tai rakennettua aluetta, ja mahdollisesti lumen peittämää. Lämmön, liikemäärän ja kosteuden vaihto lasketaan kullekin hilaruudussa esiintyvälle pintatyypille erikseen, ja ilmakehään vaikuttavat, koko hilaruutua edustavat arvot muodostetaan kunkin pintatyypin osuudella painotettuna keskiarvona. Kuhunkin pintatyppiin liittyy tietty rosoisuus, auringonsäteilyn heijastuskyky eli albedo sekä lämpösäteilyn emissiivisyys. Emissiivisyys kuvaa kappaleen lähettämän säteilyn määrää verrattuna täysin mustan kappaleen säteilyyn.

AROMEssa maaston rosoisuusarvot poikkeavat WAsP:in rosoisuuden määrittelystä. Avoveden aerodynaaminen rosoisuusparametri z0 riippuu tuulesta nk. Charnockin kaavan mukaisesti. Jäällä käytetään vakioarvoa z0=1 mm. Maa-alueiden rosoisuus z0 riippuu kasvustosta, rakentamisesta ja lumipeitteestä. Kasvustoa ja rakentamista koskevat tiedot ovat peräisin ECOCLIMAP tietokannasta. Lämmön ja kosteuden vaihdolle rosoisuusparametri on eri kuin liikemäärän vaihdolle.

Mallin laskenta-alue kattaa Suomen lähiympäristöineen. Laskenta-pisteitä on länsi-itä suunnassa 300 ja pohjois-etelä suunnassa 600, pisteiden välisen etäisyyden ollessa 2,5 km. Maaston korkeutta seuraavia laskenta-tasoja on mallissa 40, joista 9 sijaitsee ilmakehän alimmassa kilometrissä, ja alimman laskentatason korkeus on 30 metriä. Laskenta etenee mallissa minuutin pituisina askeleina.

Säämallissa kussakin hilaruudussa käytettävän maaston korkeuden ja rosoisuuden erottelukyky riippuu mallin hilakoosta, eli mittakaavasta, kuten kaikissa karttaesityksissä. Kuvassa on esimerkki säämallin "näkemästä" maaston korkeudesta hilaruuduittain horisontaaliselta resoluutioltaan erilaisissa malleissa.

Merenpinnan jäätyminen vaikuttaa pinnan läheisten ilmakerrosten virtauksiin kahden mekanismin kautta:
1. Kiinteän jääpinnan rosoisuus muuttuu verrattuna aaltoilevaan vesipintaan. Jääpinta voi olla tasainen, jolloin rosoisuus on hyvin pieni. Vastaavasti jääkerros voi kasaantua epätasaiseksi pinnaksi, jolloin rosoisuus on vastaavaa vedenpintaa suurempi.
2. Jääkerros toimii myös eristeenä meriveden ja ilmakehän välillä, jolloin lämmönvuo merestä ilmakehään pienenee. Tämän seurauksena merijään yläpuoleiset ilmakerrokset voivat jäähtyä voimakkaasti aiheuttaen alailmakehään hyvin stabiilin ilmakerroksen. Heikentyneen pystysuuntaisen sekoittumisen johdosta myös pinnan läheiset virtaukset heikkenevät.

AROME-mallissa merijään eristävä vaikutus lämmön vuohon otetaan huomioon. Vastaavasti eri jäätyyppien muuttuvaa rosoisuutta ei oteta huomioon. Tällä ei kuitenkaan tulosten kannalta ole suurta merkitystä, sillä Suomen olosuhteissa ilman termisen tasapainotilan eli stabiiliuden vaikutus virtausoloihin on rosoisuutta merkittävämpi.

HIRLAM-malli

HIRLAM (High Resolution Limited Area Model) on Ilmatieteen laitoksen kahden vuorokauden ennusteiden tuottamiseen käyttämä säänennustusmalli. HIRLAM on usean Euroopan maan ilmatieteen laitoksen yhteinen kehitysprojekti, joka alkoi 1985. Nyt on käytössä malliversio numero 7. HIRLAM on hydrostaattinen malli, jolla ei voida kuvat yhtä pienen mittakaavan ilmiöitä kuin ei-hydrostaattisella mallilla. Käytetyssä HIRLAM-versiossa laskentapisteiden vaakasuora etäisyys on 7,5 km ja maaston korkeutta seuraavia laskentatasoja on 65. HIRLAM-mallissa maaston rosoisuuden kuvaaminen poikkeaa hieman AROME-mallin rosoisuusmäärittelystä.

IFS-malli

IFS-malli (Integrated Forecasting System)on Euroopan keskipitkien säänennusteiden keskuksen käyttämä globaali hydrostaattinen ilmakehämalli. ERA-interim-aineiston tuottamiseen mallia on ajettu 80 km hilavälilla 60 tasolla.