Eentjes en Nulletjes – zo zitten gribfiles in elkaar

Gribfiles maken het leven van een zeiler makkelijker. Je hoeft niet langer weerkaarten zelf te interpreteren, dat doet de computer. In het verleden vertelden we je al hoe je ze aan boord kunt gebruiken. Nu duiken we met meteoroloog Tijmen de Boer diep in de theorie.

In de meteorologie ontstond bij de introductie van de computermodellen en de verspreiding van de output daarvan, behoefte aan een compacte en snelle manier om grote hoeveelheden data over te sturen. De oplossing werd gevonden in de zogeheten gribfiles. Gebruikers van weer- of windinformatie en weersverwachtingen en de zeilwereld liften mee op deze ontwikkeling. Meteorologen maken veelvuldig gebruik van gribfiles om tot de dagelijkse weersverwachtingen te komen. Een zeiler gebruikt de gribfiles voor hij een tocht aanvaardt en zijn route gaat plannen.

Data-uitwisseling

GRIB is een samenvoeging van Gridded Binary. Grid is Engels voor rooster. De computer rekent het weer uit op basis van een rooster dat over de aardbol is getekend. Binary staat voor binair en is de tweetallige computertaal met eentjes en nulletjes.

De eerste versie van gribfiles werd door de Wereld Meteorologische Organisatie rond 1985 gedefinieerd om een snelle automatische data-uitwisseling tussen weercomputers mogelijk te maken. Tegenwoordig maken weerbureaus in Europa vooral gebruik van het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), in Reading, dat door 28 Europese landen wordt ondersteund. Hier draaien de zeer snelle en krachtige computers om het weer tot wel tien dagen vooruit te berekenen. Alle uitvoer wordt via gribfiles naar de lidstaten verspreid.

De gribfiles die in de zeilwereld worden gebruikt, zijn meestal afkomstig van het Amerikaanse GFS-model (Global Forecast System), omdat die gratis openbaar gemaakt worden en steeds overal beschikbaar zijn.

Roosterpuntsafstand

De moderne weersverwachting komt uit een computer die een atmosfeermodel heeft uitgerekend op een rooster. Een atmosfeermodel is een zo getrouw mogelijke nabootsing of voorstelling van de atmosfeer. De computer rekent de weersverwachting uit. Vandaar de term numerieke modellen.

Je kunt de weersverwachting niet op elke meter of centimeter waarnemen en daarna berekenen. Daarvoor is het rooster bedacht. Het aardoppervlak is opgedeeld in min of meer gelijke vierkante vakjes. De hoekpunten zijn de roosterpunten. Modellen die op een beperkt gebied rekenen hebben roosterpuntsafstanden van bijvoorbeeld tien of twintig kilometer. De mondiale modellen draaien op roosters met bijvoorbeeld vijftig of honderd kilometer roosterpuntsafstand.

Op dit moment is de kleinst beschikbare roosterpuntsafstand van het GFS een halve graad, ongeveer dertig mijl. Vaak is het nog één graad. Figuur 1 is een zeer grof rooster uit de begintijd. De roosterpuntsafstand is hier duizend kilometer.

Werkwijze

De weerwaarnemingen als uitgangssituatie blijven essentieel. Een voorbeeld. Op een gebied van vijfhonderd bij vijfhonderd kilometer met 36 roosterpunten zijn acht weerwaarnemingen op vaste weerstations gedaan. De computer interpoleert die waarnemingen naar alle 36 roosterpunten rond die weerstations. Dat gebeurt zowel horizontaal als verticaal, want ons weer op de grond wordt vooral bepaald door wat zich boven ons hoofd afspeelt. Vroeger werkten de computers met vijf of tien lagen verticaal, tegenwoordig zijn dat er vijftig of meer.

Als het interpolatieproces klaar is, beschikt het model over het weer (luchtdruk, temperatuur, vocht en wind) op alle roosterpunten, ook in de bovenlucht.

Vanuit een uitgangssituatie op tijdstip t=0 gaat de computer rekenen. Bij een modern globaal model gaat het al snel over enkele miljoenen roosterpunten voor de hele aardbol.

Numerieke weersverwachting

Om meer inzicht te krijgen in de werking van de weercomputers en de gribfiles duiken we even de theorie in. Het fundament van de weermodellen wordt gevormd door de vijf basiswetten in de natuurkunde:

1. 
de bewegingswetten van Newton in de drie richtingen N-Z, O-W en verticaal;

2. 
de wet van behoud van Energie (eerste wet Thermodynamica);

3. de wet van behoud van Massa;

4. de Gaswet (Wet van Boyle-Gay-Lussac);

5. 
de behoudswet voor water, waterdamp 
en ijs.

We noemen dit stelsel van vergelijkingen de ‘Primitieve Vergelijkingen’. Zij beschrijven het totale gedrag van de atmosfeer. Met de afgeleide formules kun je alles beschrijven wat invloed heeft op het weer. In figuur 2 is een gedeelte van de basisvergelijkingen weergegeven. Aan de linkerkant is in de noemer de ∂t (delta t) te zien. Dat is de tijdstap. De tijdstap in de weermodellen is tegenwoordig twintig minuten.

De computer moet het weer in kleine stappen vooruit berekenen, omdat het weer zelf steeds verandert. Als het na vier tijdstappen gaat sneeuwen in het weermodel (en als het goed is in het echt ook), moeten allerlei zaken aangepast worden: de grond wordt wit en de straling van het aardoppervlak wordt heel anders. Maar ook is er water of waterdamp uit de atmosfeer verdwenen. Alles moet meegerekend worden.

Als het atmosfeermodel die veranderingen niet zou meerekenen, zou de verwachting voor over 36 uur niet kloppen, laat staan die voor over 120 uur.

Forecast times

De gebruiker hoeft het weer niet op elke tijdstap te weten, maar wel om bijvoorbeeld de drie, zes of twaalf uur. De computer rekent door tot die verwachtingstijdstippen (forecast times) en geeft op die momenten output. Ondertussen rekent hij verder, tot vijf dagen of tien dagen vooruit. Via de gribfiles worden alle berekende grootheden op alle roosterpunten driedimensionaal razend snel rond de wereld verspreid. Iedere gebruiker kan zijn eigen informatie eruit halen. De zeiler is alleen geïnteresseerd in wind, temperatuur en neerslag aan de grond. Een piloot wil meer weten over de wind op grote hoogte en een bergbeklimmer over wind en temperatuur op de hoogte van de berg die beklommen wordt.

Weerbureau’s, zoals het KNMI en Meteo Consult, krijgen alle data op alle roosterpunten binnen en kunnen daarmee zelf andere, afgeleide grootheden berekenen. De kans op zon of regen bijvoorbeeld, of de kans op zeewind aan onze kust in een mooiweerperiode of een vijfdaagse verwachting voor een vakantiebestemming.

Vaak wordt de uitvoer van de globale modellen gebruikt als beginsituatie voor een model dat op een beperkt gebied rekent. Zo’n model werkt met een kleinere roosterpuntsafstand en kortere tijdstappen en kan een grotere nauwkeurigheid bereiken dan de globale modellen. Alleen de verwachtingstermijn is beperkt, bijvoorbeeld maar 36 uur vooruit.

Windplotjes

Om de inhoud van gribfiles zichtbaar en begrijpelijk te maken, zijn gribviewers ontwikkeld (zie afbeelding 3). De software wordt eenmalig op de computer geïnstalleerd en tekent het windplotje op de weerkaart. Daarna hoeft de gribfile alleen nog maar te worden binnengehaald als er een nieuwe run van het weermodel is gedraaid en nieuwe windverwachtingen beschikbaar zijn. Het binnenhalen van gribfiles gaat via e-mail. Het is mooi meegenomen dat een gribfile voor alleen de verwachte wind voor een gebied van bijvoorbeeld vijfhonderd vierkante mijl niet groter is dan tien kb.

In figuur 3 is ook te zien dat de windplotjes op regelmatige afstand verdeeld zijn over het zeegebied waar je in geïnteresseerd bent. Ze staan precies op de roosterpunten waar de computer die wind heeft uitgerekend. Ertussen is niets berekend, en moet de zeiler zelf interpoleren. Je kunt de computer opdracht geven van bepaalde grootheden de gelijke waarden met elkaar te verbinden. Het resultaat is dan een ouderwetse weerkaart.

In afbeelding 4 is op die manier de barometerstand aan de grond met paarse lijnen verbonden, zodat de isobaren zichtbaar worden. In feite is dit de praktijk van iedere dag en iedere weersverwachting: als je in het journaal een animatie van bewolkings- of neerslagprognoses ziet, is dat niets anders dan het koppelen van gelijke waardes uit de gribfiles. De computer laat de uitvoer voor een aantal opeenvolgende verwachtingstijdstippen zien.

In figuur 4 zie je een weerkaart van het KNMI waar de isobaren rechtstreeks door de computer getekend zijn en waar de meteoroloog met behulp van andere parameters de fronten heeft ingetekend.

Gebruik

Het gebruik van gribfiles zonder weerkaart wordt afgeraden. Op die manier krijg je geen goed beeld van de weersituatie. Je kunt aan een windplotje niet zien of het gaat regenen.

Het is beter om naast de gribfiles van alleen maar wind ook een weerkaart te raadplegen of een combinatie te gebruiken zoals figuur 4. Je krijgt dan een goed beeld van waar de fronten liggen, waar dus de windschiftingen verwacht mogen worden, in welke luchtsoort je zit, wat de kans is op zeemist, enzovoort.

Als het kan, is het raadplegen van satellietfoto’s zeker aan te raden, omdat die een goed beeld geven van de bewolkingsverdeling.

Vanwege de huidige roosterpuntsafstand van meer dan vijftig kilometer is het per definitie onmogelijk dat de computer een hele scherpe knik analyseert in bijvoorbeeld isobaren, terwijl dat in de werkelijkheid juist wel makkelijk kan. Een schifting op een frontpassage kan erg snel gaan, terwijl je dat in de gribfiles niet terug kunt zien. Die laten namelijk een mooie bocht zien.

Zwakke plekken

Zwakke plekken in gribfiles zijn overgangen van land naar zee, buiengebieden en eilanden. Ook in de tropen doen de gribfiles het minder dan op gematigde breedtes. Dat heeft te maken met vlakke luchtdrukverdelingen (doldrums).

De overgangen land-zee zijn moeilijk, omdat daar het weerverschijnsel zeewindcirculatie optreedt, dat niet goed past in de schaal van de roosterpunten. Daarbij is boven land meer wrijving dan boven zee, wat grote invloed heeft op de wind.

Buien bestaan in de groeifase uit sterk opstijgende lucht, die van de grond komt. De bui of de neerslag kan dan ook nog koude valwinden of windstoten veroorzaken. Bij buien is het grondwindpatroon meestal ernstig verstoord en ook hier is dat mede een schaalprobleem.

Anders is het bij gelijkmatige regen uit fronten. Die hebben wel voldoende grootte om goed opgepakt te worden met de bestaande roosterpunttechniek.

Bij eilanden en hoge kusten moeten naast thermische verschijnselen als zeewind, nog aan andere aërodynamische verschijnselen gedacht worden, zoals het venturi-effecten en orografische winden (door bergen veroorzaakt). Dit zijn windverstoringen die je met gribfiles niet ziet.

Kwaliteit

De kwaliteit van gribfiles is over het algemeen verrassend goed. Er is wel wat verschil tussen de diverse grote mondiale modellen. Naast ECMWF draaien vijf afzonderlijke landen zo’n model, waarbij ECMWF en GFS op dit moment de beste zijn. De gronddrukverwachting van drie dagen vooruit van het ECMWF weer is ongeveer tien procent beter dan van het GFS. Het nadeel van het ECMWF is dat het geen openbaar formaat is, zodat wij het vooral moeten doen met data uit het GFS.

Op het zuidelijk halfrond zijn de gribfiles tegenwoordig kwalitatief bijna net zo goed als op het noordelijk halfrond. Dit heeft onder andere te maken met het toegenomen aantal waarnemingen op het zuidelijk halfrond. Ook hier worden moderne waarnemingen gebruikt van satellieten, vliegtuigen, drijvende boeien enzovoort.

De betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de modellen neemt steeds verder toe. De berekende weersverwachtingen worden nog steeds beter en daarmee ook de waarde van de gribfiles.

Houdbaarheid

Het weer is met de huidige kennis en technieken niet verder dan ongeveer tien dagen vooruit te berekenen. De voorspelbaarheid van het weer is per definitie beperkt, omdat er te veel factoren zijn die een verandering teweeg kunnen brengen. Dit is duidelijk te maken met het principe van de Vlinder van Lorentz. Een zeer kleine verstoring (een vlinder vliegt op van het water en maakt kleine wervels) heeft zeer grote invloed op het weer over zes dagen. Was die vlinder blijven zitten, dan hadden we over een week geen stormdepressie gehad.

Dit heeft tot gevolg dat voorspellingen aan kwaliteit inboeten, naarmate de tijd verstrijkt. Kleine voorvallen in de tijd na de eerste voorspelling kunnen zorgen voor grote afwijkingen. Hoe verder je vooruit wilt kijken, hoe meer de kwaliteit van de verwachting terugloopt. Ook dat laten alle modellen zien. Logisch; we weten nog niet alles en kleine verstoringen vallen buiten de roosterpunten, maar doen wél mee.

Dit principe noemt men de ‘anomale correctie’. Modelmeteorologen houden aan dat een berekening met een juistheid van zestig procent nog toegevoegde waarde geeft, maar een juistheid van vijftig procent al niet meer. Dit betekent in de praktijk dat de berekeningen na ongeveer zeven dagen zoveel van hun betrouwbaarheid hebben verloren, dat ze niet meer bruikbaar zijn. Hetzelfde geldt voor gribfiles: de betrouwbaarheid op +48 uur is veel groter dan op +120 uur.