Precies weer

Televisiemeteoroloog Paul Douglas herinnert zich de dag in 1997 toen hij de inspiratie kreeg die leidde tot de lancering van zijn bedrijf. Hij had in de lucht een regenbui voorspeld die door de Twin Cities van Minnesota zou trekken, maar buiten de lucht werd hij geconfronteerd met een stroom van e-mails van lokale kijkers die wilden weten hoe de storm hun plannen voor die dag zou kunnen beïnvloeden. Het was zo frustrerend, herinnert hij zich. Hoe laat gaat het in mijn stad regenen?' Ik rijd naar het noorden; zal ik de regen verslaan?' Mijn bruiloft is vanmiddag; zal het gaan regenen?'

Douglas was hulpeloos om dergelijke vragen te beantwoorden. Zijn voorspelling was grotendeels gebaseerd op informatie van de National Weather Service, die de omstandigheden voorspelt voor een gebied van 12 kilometer bij 12 kilometer en wiens voorspellingen niets te zeggen hebben over hoe het weer binnen dat gebied varieert. En zelfs als Douglas zulke gelokaliseerde voorspellingen zou kunnen doen, zou hij de gepersonaliseerde informatie op geen enkele manier effectief kunnen verspreiden. En toen drong het tot hem door: misschien kon hij iedereen een weerbericht op maat geven. Twee jaar later, in 1999, richtte hij de in Minneapolis gevestigde Digital Cyclone op, die weersomstandigheden voorspelt in gebieden van zes bij zes kilometer en de informatie via mobiele telefoons aanbiedt.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juni 2003

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Digital Cyclone is slechts een van de vele bedrijven die weersvoorspellingen naar een nieuw niveau van bruikbaarheid en precisie tillen. The Weather Channel in Atlanta, GA, bijvoorbeeld, biedt nu kaarten met een resolutie van acht kilometer en een waarschuwingsservice voor desktopcomputers. En AccuWeather in State College, PA, genereert weerkaarten met een resolutie van één kilometer die beschikbaar zijn op persoonlijke digitale assistenten en telefoons met internet. Gevoed door de beschikbaarheid van enorme reservoirs van goedkope computerkracht, nieuwe wiskundige technieken voor het afstemmen van weermodellen en hightech observatiesystemen, maken deze bedrijven gebruik van het veel verwaarloosde facet van weersvoorspellingen die Douglas het korte spel noemt: dat wil zeggen, het adviseren van mensen over de specifieke weersomstandigheden in hun individuele buurten of steden, niet alleen hun regio's.

De overstap naar dergelijke voorspellingen met een hogere resolutie zou tot enorme besparingen kunnen leiden. Volgens John Dutton, emeritus decaan van het College of Earth and Mineral Sciences van de Pennsylvania State University, wordt meer dan $ 3 biljoen van de jaarlijkse economie van het land beïnvloed door weersomstandigheden. Boeren, bouwvakkers, sneeuwruimers, energieonderhoudsmedewerkers, spoorwegcoördinatoren en vrachtwagenchauffeurs zijn afhankelijk van nauwkeurige en nauwkeurige voorspellingen om hun tijd en middelen effectief te beheren. Een onverwachte koele luchtmassa op een zomerse dag kan een energiebedrijf met miljoenen dollars aan ongebruikte elektriciteit vasthouden. Een verandering in de windsnelheid kan de keuze van een boer veranderen om meststoffen te sproeien, die naburige gewassen kunnen verspreiden en zelfs vernietigen bij winden van meer dan 11 kilometer per uur. Een klein temperatuurverschil kan bepalen of een sneeuwruimploeg zand of zout gaat neerleggen. Zout is over het algemeen alleen effectief boven -7 C, en een verkeerde beslissing om het te gebruiken kan niet alleen ineffectief zijn bij het verminderen van ijs, maar ook duizenden dollars aan belastinggeld verspillen.

Of het nu gaat om werknemers of voetbalmoeders, er is een onverzadigbare vraag naar weersinformatie, zegt Douglas. Er is al veel ongelooflijk nuttige informatie beschikbaar, maar er is een reële mogelijkheid om deze te filteren, actueler, gedetailleerder en nauwkeuriger te maken en in een nuttigere vorm aan te bieden.

Gepersonaliseerde prognoses

Al vijf decennia lang vertrouwen weersvoorspellingen in de Verenigde Staten op modellen die draaien op de nieuwste computertechnologie in het National Center for Environmental Prediction van de National Weather Service in Camp Springs, MD. De modellen gebruiken meer dan 100 miljoen dagelijkse metingen van temperatuur, vochtigheid, luchtdruk, windsnelheid en windrichting, verzameld op verschillende locaties over de hele wereld. Op basis van deze gegevens worden om de zes uur voorspellingen berekend op wereldwijde, nationale en regionale schaal voor gebieden zo klein als 12 kilometer bij 12 kilometer.

Het echte weer kan natuurlijk nogal variëren over afstanden van slechts een paar kilometer, zegt Craig Burfeind, een meteoroloog die samen met Douglas Digital Cyclone oprichtte. Winterstormen kunnen een precieze lijn hebben, en een paar mijl aan weerszijden van die lijn kan het verschil betekenen tussen regen en 15 cm sneeuw. Burfeind merkt op dat de afgelopen winter op een dag de temperaturen in de zuidelijke buitenwijken van Minneapolis de lage 20 ° C (70 ° F) bereikten, terwijl de noordelijke buitenwijken rond het vriespunt bleven, wat resulteerde in temperatuurverschillen van 6 ° C of meer over een bereik van zes kilometer. En Minneapolis ligt niet eens in de buurt van een groot geologisch kenmerk, zoals een berg of een vallei, die de windsnelheid en -richting, vochtigheid en temperatuur kan beïnvloeden en meetbare verschillen kan creëren over een klein gebied. Zelfs een grote watermassa kan scherpe temperatuurcontrasten veroorzaken die bijdragen aan sneeuw met meereffect, zware kustmist of onverwachte onweersbuien.

Als het praktisch zou zijn, zou de Weerdienst graag voorspellingen voor ieders land willen maken. Maar om de resolutie van het voorspellingsraster te vergroten tot bijvoorbeeld zes kilometer bij zes kilometer, is acht keer zoveel rekenwerk nodig. Onze volgende stap op dat gebied is naar 10 kilometer, die pas eind 2004 operationeel zal zijn, zegt Lauren Morone, operations officer bij het National Center for Environmental Prediction.

Maar er is een andere manier. In de jaren negentig begonnen onderzoekers van de Pennsylvania State University de onbewerkte gegevens die door de National Weather Service waren verzameld, op te nemen in hun eigen pc-modellen. Het runnen van een model was vroeger een grote gecentraliseerde operatie, zoals het Manhattan Project, zegt Penn State klimatoloog Paul Knight. Daarentegen, zegt hij, voert de nieuwe generatie pc-modellen minder berekeningen uit voor een kleiner deel van de wereld en zijn ze daarom in staat om gelokaliseerde weersvoorspellingen met een hoge resolutie te produceren die relatief snel kunnen worden opgesteld.

Digital Cyclone speelt bijvoorbeeld in op het succes van Penn State. Het bedrijf levert voorspellingen voor een aantal grootstedelijke gebieden in de VS en gebruikt een enkele pc om een ​​weersvoorspelling voor een bepaalde stad te maken. De voorspellingen zijn twee keer zo frequent als die van de National Weather Service en bestrijken een kleiner gebied; dat wil zeggen, ze rijden elke drie uur en hebben een resolutie van zes kilometer binnen een straal van ongeveer 120 kilometer van de stad.

Klanten van Digital Cyclone hebben toegang tot de informatie vanaf een website. Door hun locatie in te toetsen, kunnen ze weerkaarten krijgen die zijn gecentreerd op hun steden, compleet met radarbeelden en geprojecteerde stormsporen. Maar de echte waarde van de dienst van Digital Cyclone, zegt Douglas, is dat mensen de informatie van hun mobiele telefoons met internet kunnen halen. Later dit jaar zullen diezelfde telefoons hoorbare waarschuwingen uitzenden die door het bedrijf zijn verzonden en zijn afgestemd op de behoeften van mensen. En in een tijd waarin steeds meer mobiele telefoons zijn uitgerust met Global Positioning Satellite-software en signaalontvangers die informatie verstrekken over hun geografische locatie, ontwikkelt Digital Cyclone software die naar verwachting in de komende jaren beschikbaar zal komen en die GPS-gegevens zou gebruiken om bieden weersvoorspellingskaarten met hoge resolutie die automatisch zijn gecentreerd op de locatie van de telefoon.

Op het zakelijke front

Het hebben van gepersonaliseerde waarschuwingen die naar uw handheld-apparaat worden gestraald, lijkt misschien de ultieme automatisering van het weerbewustzijn. Maar bedrijven hebben ook gedetailleerde voorspellingen nodig, en sommige weerproviders integreren de informatie al rechtstreeks in de computers van hun grote industriële klanten. Een leider op dit nieuwe gebied van weerbestendige operaties is Meteorlogix in Minneapolis. Het bedrijf gebruikt satellietcommunicatie om aangepaste weersupdates rechtstreeks door te geven aan het operationele computersysteem van een klant; het computersysteem is voorgeprogrammeerd om te werken met de waarschuwingen van Meteorlogix, herkent welke bewerkingen worden beïnvloed door het weer en onderneemt vervolgens passende maatregelen.

Regen voelen

Naarmate computers sneller en goedkoper worden en de instrumenten voor weersobservatie verbeteren, beloven onderzoekers voorspellingen met nog hogere resoluties. Sommigen voorspellen dat over twee of drie jaar de resolutie zal dalen tot één kilometer. Het zal echter een zware strijd zijn om daar te komen. Het eerste probleem is de enorme toename in rekenkracht die nodig is om rekening te houden met de extra variabelen van het weer op zo'n kleine schaal. Er moet rekening worden gehouden met de topografie van het lokale terrein, de aanwezigheid van watermassa's, vegetatie en wolkenvorming, zegt Joel Myers, oprichter en voorzitter van AccuWeather. Om van vier kilometer naar één kilometer te gaan, is ongeveer 16 keer zoveel spierkracht nodig.

Ondanks de hoge rekenprijs werken Lloyd Treinish en zijn collega's van IBM's Yorktown Heights, NY, onderzoeksfaciliteit aan weersvoorspellingen met een resolutie van één kilometer. Het zogenaamde Deep Thunder-project maakt deel uit van een grotere IBM-inspanning die bekend staat als Deep Computing en die zich bezighoudt met het analyseren van grote hoeveelheden gegevens en het oplossen van complexe rekenproblemen. Zoals veel bedrijven die werken op het gebied van weersvoorspellingen met hoge resolutie, voorziet IBM zakelijke kansen door betere voorspellingsmodellen te leveren aan weergevoelige bedrijven. Treinish en zijn team hebben een standaard regionaal model aangepast, ontwikkeld aan de Colorado State University, en aangepast aan het terrein, de windstroom en door de oceaan aangedreven vochtpatronen van de regio New York. Ze gebruiken gegevens die ze hebben ontvangen van de National Weather Service en verifiëren vervolgens hun voorspellingen met behulp van nabijgelegen weerstations, zelfs een die is geïnstalleerd in Fishkill, NY. Later dit jaar zal IBM nog vijf stations installeren in zijn faciliteiten in het zuidoosten van New York om de modellen verder te verfijnen. Deep Thunder genereert twee tot vier keer per dag een bijgewerkte 24-uursvoorspelling, wat bijna twee uur computertijd per voorspelling vereist.

Het aangepaste model heeft zijn waarde verschillende keren bewezen, zoals toen het de ernst van een sneeuwstorm in februari 2003 herkende, ongeveer negen uur voor de Weather Service. Treinish schrijft de nauwkeurigheid van het model toe aan de fijne resolutie, die naast een meer gedetailleerde kijk op het lokale weer vaak leidt tot betere voorspellingen voor een hele regio. Door de fysica achter kleinere weersomstandigheden te bestuderen, kun je een beter beeld krijgen van wat er gebeurt met grootschalige evenementen zoals stormen, zegt hij.

Treinish praat zelfs over een resolutie van 500 meter in de toekomst, hoewel hij erop wijst dat het modelleren van windturbulentie rond de hoge gebouwen van New York City nodig zou zijn - en het zou ongeveer 100 keer zoveel rekenwerk vergen. Maar dat is geen ongehoorde toename van de rekenkracht, als je bereid bent een paar jaar te wachten, zegt hij.

Dergelijke nauwkeurige weersvoorspellingen met een hoge resolutie zijn afhankelijk van modellen die regelmatig opnieuw worden gekalibreerd door hun voorspellingen te vergelijken met het werkelijk waargenomen weer. Maar proberen te zeggen of de voorspellingen verbeteren of niet, is moeilijker dan het klinkt, omdat de verschillen subtiel en gecompliceerd kunnen zijn: misschien worden de voorspellingen van de windsnelheid een beetje nauwkeuriger, terwijl de temperatuurvoorspellingen een beetje slechter worden. David Stensrud van het Severe Storm Laboratory van de National Oceanic and Atmospheric Administration in Norman, OK, merkt op dat het verbeteren van de modellen langzaam gaat. Deze modellen zijn zo ingewikkeld dat als je het ene probleem kunt corrigeren, je gemakkelijk een ander probleem kunt veroorzaken, zegt Stensrud. Je moet het nieuwe model over een groot aantal gevallen laten lopen om het te controleren, en dat maakt het een enorme, arbeidsintensieve inspanning.

En natuurlijk is een voorspellingsmodel slechts zo goed als de instrumenten die het data leveren. Uiteindelijk kunnen meteorologen mogelijk toegang krijgen tot fijn gedetailleerde weergegevens van enorme netwerken van sensoren die slechts tientallen meters van elkaar verwijderd zijn over vele delen van het land. Een groep onder leiding van Deborah Estrin, een computerwetenschapper en directeur van het Center for Embedded Networked Sensing aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, is al bezig met het inbedden van draadloze sensornetwerken die zijn ontworpen om microklimaatgegevens te monitoren, inclusief uiteindelijk koolstofdioxideniveaus, rond kleine stukjes bomen en planten. We willen de relatie tussen het monitoren van het weer op regionale schaal en op microschaal onderzoeken, zegt ze.

Het verzamelen van dergelijke specifieke gegevens kan in onze toekomst liggen, maar is het praktisch? Door voorspellingen uit te brengen op het niveau van stadsblokken, lijkt het zeker alsof de voorspellingen nauwkeuriger zijn, zegt Craig Edwards, hoofdmeteoroloog bij het Minneapolis-kantoor van de National Weather Service. Maar de voorspellingen voor één blok zouden waarschijnlijk hetzelfde zijn als voor andere blokken. Er is ook een wisselwerking tussen resolutie en hoe ver in de toekomst een model nauwkeurige voorspellingen kan doen, zegt Young, vanwege hoe snel kleinschalige weersverschijnselen veranderen. De voorspellingen met hoge resolutie van vandaag zijn nuttig voor een dag of zo, zegt hij. We zijn snel op weg naar resoluties waarmee u na zes uur niets meer kunt kopen.

Ongeacht het nut van de nieuwe technologie, zullen meteorologen er meer van kunnen laten zien in hun voorspellingen, aangezien het publiek vertrouwd raakt met weerjargon en kaarten. Het weer-IQ van het publiek is de afgelopen 10 jaar enorm toegenomen, zegt AccuWeather's Myers. In plaats van te zeggen dat er vandaag kans is op regen, zouden we kunnen zeggen dat er tussen 10.00 en 12.00 uur 20 procent kans is op regen, tussen 12.00 uur en 14.00 uur 40 procent en daarna 20 procent. Dat is het soort informatie dat u zou kunnen gebruiken om uw golfspel te plannen.

Anderen in prognoses met hoge resolutie
BEDRIJF	NET RESOLUTIE	DIENST
Meteo Consult (Wageningen, Nederland)	Site-specifiek, gebaseerd op locatie van weerstations	Weerkaarten en satelliet- en radarbeelden geleverd aan mobiele telefoons met internet
MijnWeer (Madison, Wisconsin)	110 meter	Prognoses voor sms-berichten verzonden naar alfanumerieke semafoons en mobiele telefoons
AWS-convergentie Technologieën (Gaithersburg, MD)	Site-specifiek, gebaseerd op de locatie van eigen weerstations	Webgebaseerde applicatie die voorspellingen geeft voor klanten in de energiesector
Weerdiensten Internationale (Billerica, Massachusetts)	Acht tot 10 kilometer; puntspecifieke voorspellingen	Weerkaarten en satelliet- en radarbeelden geleverd aan mensen die werkzaam zijn in de media-, energie-, zee- en luchtvaartindustrie (piloten kunnen tijdens de vlucht gegevens ontvangen op persoonlijke digitale assistenten)

zich verstoppen