Weerkaart
is niet overal even chaotisch
Chaos
en het weer - 26-06-2001
Volgens
een aantal Amerikaanse onderzoekers bestaan er atmosferische gebieden
die een buitengewoon grote invloed uitoefenen op de ontwikkeling van
weerpatronen. Omdat het weer een chaotisch systeem is, waarin kleine
verschillen in de uitgangspositie na korte tijd tot erg uiteenlopende
uitkomsten kunnen leiden, hopen ze met deze kennis betere voorspellingen
te kunnen maken.
Niets
zo leuk als keuvelen over het weer, en één van de klassiekers in dit
gespreksthema is het becommentariëren van de kunde of onkunde van
de weervoorspellers. Hoe komt het toch dat, ook al is de kunst der
meteorologie de laatste decennia sterk verfijnd, weervoorspellingen
nog steeds met enige regelmaat de mist ingaan, zeker als het gaat
over de weersverwachtingen van een aantal dagen?
Kleine
verschillen, grote gevolgen
Eén van de oorzaken is dat het weer een bijzonder complex systeem
is, waarin een grote hoeveelheid variabelen en hun onderlinge verbanden
in rekening moeten worden gebracht. Hoe verfijnder de computermodellen
worden en hoe nauwkeuriger de duizenden metingen die nodig zijn worden
verricht, hoe beter de weersvoorspelling zal zijn. Tenminste, op korte
termijn. Op lange termijn blijft het opstellen van weersverwachtingen
een heikele zaak. De reden daarvan is niet alleen de complexiteit
van het weersysteem, maar is eerder nog te wijten aan het feit dat
het weer een chaotisch systeem is.
Chaos
wordt dan niet gebruikt zoals het in het woordenboek staat omschreven
- toestand van ongeordendheid of verwarring - maar slaat op een tak
van de wiskunde die pas vanaf de zestiger jaren in academische instellingen
opdook. Sindsdien vormt het het uitgangspunt van tal van wetenschappelijk
artikels, in uiteenlopende gebieden als meteorologie, fysica, biologie,
statistiek, psychologie en economie.
Niet toevallig was het een meteoroloog, Edward
Lorenz, die de eerste wetenschappelijke paper over chaostheorie
publiceerde. Dat gebeurde nadat hij toevallig had ontdekt dat minimale
verschillen in een aanvangssituatie snel tot sterk verschillende resultaten
konden leiden.
In 1961 was Lorenz druk in de weer met een weerkundig model en had
hij een computer aan het werk gezet om op basis van 12 variabelen
een weerpatroon te construeren. Een bepaalde reeks wilde hij wel eens
opnieuw bekijken en, gezien de onderontwikkelde snelheid van computers
op dat moment, liet hij de computer ergens halverwege de eerste reeks
opnieuw beginnen.
Na een tas koffie kwam Lorenz opnieuw in zijn werkkamer, en trof daar
heel andere weervoorspelling aan in vergelijking met het eerste resultaat.
Hij vermoedde dat hij fouten had gemaakt, en ging nauwgezet al zijn
stappen na. Het enige wat hij kon ontdekken was dat hij bij het ingeven
van de variabelen slechts nauwkeurig was geweest tot op drie cijfers
na de komma, terwijl dezelfde gegevens in de eerste simulatie zes
cijfers na de komma telden. Maar kon een dergelijk minuscuul verschil
een resultaat produceren dat zo sterk verschilde?
Lorenz ontdekte, tegen de gangbare veronderstellingen in, dat dat
inderdaad zo was. Er bleken systemen te bestaan die erg sterk reageren
op kleine verschillen in de aanvangssituatie. Tot dan was iedereen
ervan uitgegaan dat minieme foutjes in de variabelen tot een minieme
fout in de oplossing zou leiden, wat doorgaans ook het geval bleek
te zijn. Wie op basis van de natuurkundige wetten wil berekenen waar
een kanonskogel terecht komt als die wordt afgevuurd maar een kleine
foutje maakt bij het invullen van de hellingsgraad van de kanonloop,
zal zien dat de kogel niet zo heel ver van de voorspelde plaats neerploft.
Voor systemen als het weer gaat deze veronderstelling echter niet
op, een verschijnsel dat bekend werd als het vlindereffect.
Een vlinder die met zijn vleugels slaat brengt immers een verandering
in de atmosfeer teweeg en naarmate de tijd vordert, wordt deze verandering
steeds groter. Een maand later kan dan een tornado de kusten van Indonesië
verwoesten, terwijl er in een vlinderloze wereld helemaal geen tornado
was ontstaan. Of Indonesië kan, dankzij de vlinder, net gespaard blijven
van een tornado natuurlijk.
Dat betekent echter niet dat het weer volkomen willekeurig tot stand
komt, het lijkt zich alleen maar onvoorspelbaar te gedragen. Chaos
zoals die in de chaostheorie wordt beschreven, speelt zich wel degelijk
in een systeem af waar voorspellingen wel degelijk mogelijk zijn,
gebaseerd op de regels waaraan de elementen in het systeem gehoorzamen.
Alleen, omdat dynamische systemen zo gevoelig zijn voor initiële verschillen
en de kans dat alle variabelen correct worden ingevuld zo klein is,
is het verschrikkelijk moeilijk nauwkeurige voorspellingen te doen,
ook al heeft men alle variabelen en relaties in kaart gebracht. Wat
het weer betreft, lukt het nog net om met een aanvaardbare graad van
betrouwbaarheid voorspellingen te doen voor de volgende dag, of zelfs
voor enkele volgende dagen. Naarmate de tijd vordert, wordt het echter
steeds waarschijnlijker dat - omwille van kleine verschillen in de
beginwaarden - het voorspelde weer behoorlijk afwijkt van wat er buiten
te zien is.
Chaotische trekpleisters zoeken voor betere weersverwachtingen
Geen wonder dat meteorologen geïnteresseerd zijn in de chaos van het
weer, en een onderzoekgroep van de Universiteit van Maryland - met
één van ‘s werelds beste chaosdepartementen - heeft pas ontdekt dat
de atmosfeer niet overal even chaotisch is.
Sommige plekken - door het team chaotische trekpleisters genoemd -
zijn wel bijzonder chaotisch: als zich op deze locaties een kleine
verandering voordoet in de omstandigheden, heeft dat een veel groter
effect op het weer dan dat dezelfde verandering zich buiten een trekpleister
manifesteert.
Deze hotspots veranderen op regelmatige basis van plaats en zouden
op elk moment ongeveer 20% van de meteorologische wereldkaarten beslaan.
De vorsers kwamen enkele van deze plekken op het spoor door zich op
de ‘ensemble’-weersverwachtingen van de National Weather Service te
baseren. Zulke voorspellingen bestaan uit een hoofdverwachting en
een aantal licht verschillende voorspellingen die een aantal mogelijke
variaties in het weer beschrijven.
De onderzoekers bekeken de globale windvoorspelling en 5 variaties,
en plaatsten deze op een landkaart om na te gaan hoe de windsterkte
en -richting van elke alternatieve voorspelling afweek van de hoofdverwachting.
Op een wereldkaart bakenden ze vierkanten van 1100 op 1100 km af,
en vonden zo plaatsen waar de windvectoren op één lijn kwamen te liggen:
de chaotische trekpleisters.
Het vooral in deze gebieden zaak over uiterst nauwkeurige data te
beschikken om voorspellingen te doen, en andere regio’s zijn in dat
opzicht veel minder belangrijk. Nu willen de onderzoekers zich op
het analyseren van andere variabelen storten die een invloed uitoefenen
op het weer, zoals temperatuur, vochtigheid en luchtdruk. Zij zullen
zich ook baseren op honderden, in plaats van op vijf, voorspellingen
en hopen zo hun globale perspectief ook op regionaal vlak toe te passen.
Dat zou dan moeten leiden naar meer betrouwbare voorspellingen, en
bovendien toelaten weersverwachtingen op te stellen die langer houdbaar
zijn dan enkele dagen. Maar het weer voorspellen voor de volgende
twee weken of maand lijkt onmogelijk, ook al wordt alles precies gemeten
en worden de trekpleisters nauwkeurig bepaald. Daar is het weer nu
eenmaal te chaotisch voor.
(DdV)
Related links:
Chaos
voor beginners
Chaos
startpagina
Wiskundige
chaos theorie en fractals
De
geschiedenis van de chaostheorie
Multimedia
inleiding in de meteorologie
Weersvoorspellingen
voor België en Europa
Het
Koninklijk Meteorologisch Instituut
©
David de Vaal
