###Numerical Weather Prediction_medan

8/3/2019 ###Numerical Weather Prediction_medan

1/64

Pusat Penelitian dan Pengembangan

Badan Meteorologi Klimatologi dan GeofisikaJl. Angkasa I no. 2 Kemayoran Jakarta Pusat 10720

NUMERICAL WEATHER

PREDICTION

Wido Hanggoro


2/64

Definisi NWP

Definisi NWP

Numerical weather prediction is the science of predicting theweather using "models" of the atmosphere and computationaltechniques. (www.sciencedaily.com)

Atmospheric models are based on the physical/dynamicalequations that govern the atmospheric flow, written as a

computer code. Initial conditions are obtained by combiningshort model forecasts with new observations (a process calleddata assimilation). When a model is integrated in time (i.e., themodel codes are run) starting from the initial conditions, theoutput is a numerical weather prediction.(http://www.atmos.umd.edu/research/AOSC_research_nwp-data_assim.html)

The atmosphere is a fluid. The basic idea of numerical weather

prediction is to sample the state of the fluid at a given timeand use the equations of fluid dynamics and thermodynamicsto estimate the state of the fluid at some time in thefuture.(www.wikipedia.org)


3/64


4/64


5/64

Source : ASEAN-ROK Cooperation Training Workshop, KMA 2006


6/64

Source : ASEAN-ROK Cooperation Training Workshop, KMA 2006


7/64

OBSERVASI


8/64

Forecaster

Supercomputer

Global forecast services

Aviation

ShippingNational and International

Forecast Services up to7 days ahead.

Radio-sonde

Weather shipand weather buoys

Satellites

Radar

Weather forecasting

Weatherstations


9/64

Data CollectionData Collection

Berbeda dengan model

klimatologi, initial conditionsangat diperlukan untuk

memperoleh hasil prakiraan

yang baik.


10/64

datasetsdatasets

Forecast Data setsGfs-GFS Model 0.5 degree / 1 degree - 3hourly

Labgfs-GFS Model 0.5 degree - used for EMS labexercises (18 UTC 17 August 2007)

Labnam212-NAM Model 40km resolution 212 grid -used for EMS lab exercises (18 UTC 17 August 2007)

labnam218-NAM Model 12km resolution 218 gridused for EMS lab exercises (18 UTC 17 August 2007)

nam212-NAM Model 40km resolution 212 grid -Isobaric coordinate (25mb) - 3hourly through hr 84 (7mb per file)

nam218-NAM Model 12km resolution 218 grid -Isobaric coordinate (25mb) - 3hourly through hr 84


11/64

MODEL ATMOSFER


12/64

The problem: computers can performarithmetic but not calculus

The solution: numerical methods

The problem: computers can performarithmetic but not calculus

The solution: numerical methods

d f

dx

f dx

z

v


13/64

Dilakukan pertama kali oleh penelitidari Inggris (L. F. Richardson)

Bukunya yang berjudul WeatherPrediction by Numerical Process

diterbitkan pertama kali padatahun 1922

Dalam bukunya beliau menjelaskanbagaimana sebuah persamaandifferensial dari pergerakanatmosfer dapat dituliskan dalam

beberapa persamaan matematikauntuk beberapa variabel pada titikdi suatu domain


14/64

Model AtmosferModel Atmosfer

Menggambarkan proses-proses yang terjadidi atmosfer (Atmospheric Processes)

Dimana proses-proses tersebut dijabarkan

dalam bentuk persamaan matematis

Untuk memudahkan perhitunganpersamaan tersebut dikonversi dalam

bahasa program agar dapat dibaca olehkomputer


15/64

Elnino

Jet stream

Pusat tekanan tinggi/rendah

FrontThunderstorm

Konvektif (Hujan)

Angin darat/laut

Dipole

Conservation of momentum

Conservation of mass

Conservation of energy

Relationship among p, V, and T

Proses Atmosfer Persamaan (Equation)


16/64

Governing EquationsGoverning Equations

Conservation of momentum (Newtons laws)

- 3 equations for accelerations of 3-d wind (F =Ma)

Conservation of mass

- 1 equations for conservation of air (masscontinuity)

- 1 equation for conservation of water

Conservation of energy

- 1 equation for the first law of thermodynamics Relationship among p, V, and T

- 1 equation of state (ideal gas law)


17/64

Newtons LawNewtons Law

The momentum equations for a spherical Earth represent Newtons

second law of motion, which states that the rate of change ofmomentum of a body is proportional to the resultant force acting on

the body, and is in the same direction as the force.


18/64

Conservation of energyConservation of energy

The thermodynamic energy equation accounts for various effects,

both adiabatic and diabatic, on temperature


19/64

Conservation of massConservation of mass

The continuity equation for total mass states that mass is neither

gained nor destroyed, and Eq. 2. is analogous, but applies only towater vapor.


20/64

Ideal gas lawIdeal gas law

The ideal gas law relates temperature, pressure, and density.


21/64

Governing EquationsGoverning Equations

Almost every model uses a slightly differentset of equations :

Application to different parts of the world

Focus on different atmospheric processes

Application to different time and spatialscales

Ambiguity and uncertainty in formulations Tailoring to different uses


22/64

How Model PredictHow Model Predict


23/64

Gambaran sistem CCAM

Userlintang/bujur

Topografi

Danvegetation

Inisial kondisiPrakiraan

CCAM 60km

ProdukData(halama

nweb,dll)

Ekstrakdataprakiraan

Topografi

Danvegetation

Downscaling

PrakiraanCCAM 8km

Ekstrak

dataprakira

an

Topografi

Danvegetation

Downscaling

PrakiraanCCAM 1km

Ekstrak

dataprakiraan

NCEP GFS analysis 1 deg

CCAM NWP


24/64


25/64

Initial conditions - define theatmospheres current statethestarting point


26/64

Data TopografiData Topografi

Sistem CCAM menggunakandata topografi pada tigaskala:

y 10km untuk seluruh dunia(topo2)

y 1km untuk seluruh dunia(*.DEM)

y 250m untuk wilayahAustralia (*.ter)

CCAM akan menentukandata topografi yangdibutuhkan ketika user telahmenentukan lintang dan bujurtertentu sebagai titik pusat.


27/64

Data Land useData Land use

Data Land-usemenggunakan dua dataset:

y 1deg global dataset dengan 12land-use kategori (SiB).

y 6km resolution dataset untuk

Australia dengan 33 land-usekategori (Gratezs)

y 1deg global soil dataset dengan 10

Zobler kategori

Dapat juga menggunakan

Ecosystems dataset (MeteoFrance) :

y 1km global dataset dengan 215land-use kategori

y 10km global soil dataset (sand dan

clay fractions) yang dikonversi ke 10

Zobler kategori


28/64

Model Domain dan Boundary

Condition

Model Domain dan Boundary

Condition

Global models - Melingkupi seluruhpermukaan bumi dan hanyamempunyai batas vertikal

Limited-area synoptic scale andmesoscale models Mempunyai batashorizontal (lateral boundaries) sertabatas vertikal (vertical boundaries)

Computational fluid-dynamics (CFD)models Mempunyai domain yanglebih kecil.


29/64


30/64

Model DomainModel Domain


31/64

Treatment of Lateral BoundariesTreatment of Lateral Boundaries

One-way interaction: Information flows in onedirection,from the coarser-mesh, largerdomain to the finer-mesh,smaller domain.Computations within the finer-meshmodel do

not affect the larger domain model. Two-way interaction: Information flows in both

directions in the interior grid interfaces of anested model. The coarser-grid forecastsupplies boundary conditions to the finer-grid

forecast, while the finer-grid forecast is usedby the coarser grid in determining theforecast variables.


32/64

Lateral BoundariesLateral Boundaries


33/64

Sistem GridSistem Grid

Ground

100 millibars

Grid

points

Computatio

nallevels

East-West Distance

Altitud

e


34/64

Grid dalam modelGrid dalam model

Hexagonal Triangular


35/64

Conformal cubic


36/64

Proyeksi PetaProyeksi Peta


37/64

Jenis-jenis Model NWPJenis-jenis Model NWP

Dalam aplikasinya, representasi data,penyelesaian persamaan dan prosescuaca yang dapat digambarkan dalam

suatu model dapat dikategorikanmenjadi 4 jenis:

Grid Points models

Spectral modelsHydrostatic models

Non-hydrostatic model


38/64

Grid Points Models


39/64

Spectral Points Models


40/64

ParameterisasiParameterisasi

Parameterizations approximate the bulk effects of physicalprocesses that are too small, too complex, or too poorlyunderstood to be explicitly representedDiprediksi atau didekati dari variabel-variabel lain yangyang mempunyai resolusi yang lebih rendah.

Beberapa variabel yang tidak dapat digambarkan/diterangkan secara eksplisit di dalam model yangdisebabkan oleh resolusi dalam model

Dalam simulasi, variabel-variabel tersebut sangat penting.Keterbatasan dalam komputasi juga menjadi salah satu

sebab. Karena kadang proses tersebut harus jelasakan olehbeberapa persamaan yang rumit dan panjang


41/64


42/64

In the WRF Model, parameterizationsinclude: Cumulus convection

Microphysics of clouds and precipitation

Radiation (short-wave and long-wave)

Turbulence and diffusion

Planetary boundary layer and surface layer

Interaction with Earths surface

Some of the biggest future improvementsin the WRF Model will be inparameterizations


43/64

Parameterisasi KonvektifParameterisasi Konvektif

Di alam, konvektif tidak hanya menghasilkanpresipitasi tapi juga perpindahan panas,distribusi uap dan menyebabkan stabilisasiatmosfer.

Outflow jets dan vortisitas pada mid-level jugadapat terjadi dan menyebabkan sirkulasiatmosfer di tempat lain apabila konvektifterjadi pada daerah yang cukup luas.

Menghasilkan cloud cover yang berdampak

pada temperatur permukaan Model NWP harus berupaya untuk

menggambarkan fenomena tersebut


44/64


45/64


46/64

Model Scheme ComparisonModel Scheme Comparison

WRF MM5 NHM CCAM (C48)

Field Domain 1 Domain 2 Domain 1 Domain 2 Domain 1 Domain 2 Domain 1 Domain 2

Meridional Grid

Dimensions280 193 280 193 280 193 Global

(48x48x6)

Global

(48x48x6)Zonal Grid Dimensions 145 94 145 94 145 94

Vertical Level 31 31 32 32 32 32 18 18

Grid Resolution 27 km 9 km 27 km 9 km 27 km 9 km 27km 9km

Parent Grid Ratio 1 3 1 3 1 3 1 3.33

Parent time step Ratio 1 3 1 3 1 3 1 3.33

Nest Type 1 - Way2Way

(online)1 - Way

2-Way

(online)1 - Way

2-Way

(Offline)

Streched -

Schmidt Transf.

Streched -

Schmidt Transf.

(Offline)

Explicit Moisture

Scheme

WSM 3-class

simple ice

scheme

WSM 3-class

simple ice

scheme

Graupel

(Reisner2)

Graupel

(Reisner2)

Simplified

Graupel

Simplified

Graupel- -

Microphysics Rotstayn Rotstayn

Longwave Radiation

physics

RRTM

scheme

RRTM

scheme

RRTM

scheme

RRTM

schemeGSM0103 GSM0103

GFDL (Fels-

Schwarzkopf)

GFDL (Fels-

Schwarzkopf)

Shortwave Radiation

physics

GFDL (Fels-

Schwarzkopf)

GFDL (Fels-

Schwarzkopf)

Planetary Boundary

Layer Scheme

MRF

scheme

MRF

scheme

MRF

scheme

MRF

scheme

Yamada-

Mellor

Yamada-

Mellor

Monin-

Obukhov

Monin-

Obukhov

Cumulus Scheme Grell Devenyi Kain-Fritsch Grell Kain-Fritsch 2 Kain-Fritsch Kain-Fritsch

Convjlm

McGregor

(2003)

Convjlm

McGregor

(2003)


47/64


48/64

Masalah dalam persamaan

NWP

Masalah dalam persamaan

NWP

Transformasi teori persamaan-persamaan dasar NWPkedalam kode komputer dapat menghasilkan error

Dalam model NWP umumnya persamaan-persamaantersebut dituliskan dalam bentuk yang sederhana sepertiproses pembentukan awan, radiasi dan interaksi darat

dan atmosfer. Karena alasan kompleksitas, persamaan-persamaan

dasar harus diselesaikan secara numerik menggunakanpendekatan matematik dibandingkan menyelesaikansecara menyeluruh. Pendekatan tersebut menghasilkanerror walaupun data initial value digambarkan secara

sempurna


49/64

NWP ErrorNWP Error

Error pada Initial Condition

Kerapatan stasiun (sumber data)yang kurang

Frekuensi temporal yang kurang memadai

Masalah pada alat pengamatan atautransmisi data

Data kurang representatif mewakili suatudaerah

Quality Control error

Object analysis error (Pembobotan daninterpolasi)

Kesulitan melakukan data asimilasi


50/64

Error pada Model

Formulasi persamaan yang kurang lengkap

Pendekatan numerik untuk nilai horizontal dan

vertikal yang kurang tepat Interpolasi waktu yang salah

Penentuan boundary condition yang kurangtepat

Representasi permukaan yang kurang Estimasi presipitasi dalam skala luas

Estimasi awan dan proses radiatif awan


51/64

Keterbatasan Model memprediksi


52/64

Predictability beyond the Lorentz-limitPredictability beyond the Lorentz-limit

The atmospheric circulation is chaotic andunpredictable beyond ~15 days, the averaged weatheris in some areas and in some seasons predictablebeyond the Lorentz limit

(damped) persistence beyond 15 days

Slowly fluctuating patterns of variability (often involvingslow ocean responses): ENSO, Indian Ocean ZonalMode, Pacific Decadal Oscillation, AtlanticMultidecadal Oscillation,,

Anthropogenic forcing (trends) predictable

Initial conditions of the earth system provide memory:ocean, ice, soil, atmospheric composition


53/64


54/64

KOMPUTER


55/64

PC CLUSTERPC CLUSTER


56/64

Karena perhitungan NWP menggunaanpersamaan-persamaan matematika yang rumitdan banyak, sehingga perhitungannya harusmenggunakan memori komputer yang besar.Biasanya perhitungan NWP menggunakan superkomputer yang harganya sangat mahal.

PC Cluster merupakan gabungan dari beberapabuah computer yang bekerja layaknya sebagaisebuah computer (paralel), dimana masing-masing computer dihubungkan oleh sebuah

jaringan LAN (Local Area Network). Spesifikasitiap-tiap computer dalam satu kelompok PCcluster biasanya mempunyai konfigurasi yangsama (tetapi bukan suatu keharusan).


57/64

How does parallel processing work?.

287 14 21

1*7

A

2*7

B

4*73*7

C D

Lets give four processors A, B, C, D a sum each


58/64

Konfigurasi PC ClusterKonfigurasi PC Cluster

Terdiri atas 1 Master Node dan beberapa Client node Dihubungkan dengan menggunakan Switch

Biasanya mempunyai konfigurasi / spesifikasi yang sama

Untuk Master Node, mempunyai 2 Ethernet card (hubunganantar PC dan hubungan dengan jaringan internet)

sedangkan untuk Client Node hanya mempunyai 1 Ethernetcard.

Hanya membutuhkan sebuah monitor, keyboard dan mouseyang dipasang pada Master PC.

Idealnya mempinyai sebuah KVM switch (Keyboard, Video or

Visual Display Unit and Mouse)


59/64


60/64

Software yang dibutuhkan

Operating System : ada beberapa OS Linux yang sudah didesain untuk keperluan PC Cluster seperti Rocks Cluster.Namun dapat juga digunakan OS Linux biasa seperti fedora,Suse atau OS lainnya.

Software MPI (Message Parsing Interface): Ada banyak pilihansoftware untuk MPI, namun yang digunakan saat ini adaMPICH2. Software pengatur memori yang digunakan saatmenjalankan suatu program.

Fortran Compiler : Digunakan untuk meng-compile suatuprogram. menggunakan Intel Fortran Compiler yang dapat didownload gratis.

GrADS (The Grid Analysis and Display System) : Software

analisis output CCAM


61/64

Software yang dibutuhkanNX software (bukan suatu keharusan): software untuk melihattampilan desktop node.

NetCDF : Library yang digunakan untuk membaca file yang

mempunyai format NetCDF

tcsh : C Shell Scripting Language pada beberapa distro RedHat dan turunannya.

NFS : Network File System. Menyediakan ruang (Area Public)yang digunakan untuk menjalankan suatu software

perhatian: semua software diatas (kecuali NX software) hanya di install pada

Master Node


62/64

OutputOutput


63/64


64/64

Documents

###Numerical Weather Prediction_medan