Markens roll i en numerisk prognosmodell

Inte bara atmosfären utan även markytan och haven måste modelleras i en väderprognosmodell

För att beskriva markens betydelse för en numerisk prognosmodell, är det väsentligt att känna till de viktiga strålningsprocesser som är grunden för allt väder.

Strålningsbalansen

Nettostrålningsbalansen definieras som absorberad kortvågig och långvågig strålning, minus utgående långvågig strålning.

Den korvågiga (solstrålningen) absorberas i atmosfären, framför allt i den ultravioletta delen av spektret (ozonet i atmosfären), sprids av luftmolekylerna och reflekteras mot framför allt molnen. En stor del når marken och absorberas där till en stor del (om det inte är snö).

Den långvågiga strålningen (infraröd strålning, dvs. värmestrålning) absorberas och emitteras (sänds ut) både av atmosfären och markytan. I atmosfären är det vattenånga, koldioxid och moln som står för absorption/emission. Totalt sett blir detta en strålningsbudget som i genomsnitt är:

  • Positiv för markytan och negativ för atmosfären
  • Positiv för låga latituder (tropikerna) och negativ för höga latituder (polarområdena)

Dessa skillnader i strålningsbudget kompenseras av värmetransport från mark till atmosfär (varm luft som stiger och avdunstning) och av värmetransport från låga till höga latituder i både atmosfär och hav. Det är denna värmetransport i atmosfären som ger upphov vad vi kallar väder.

Flöden mellan mark och atmosfär

Luft som värms vid markytan och stiger uppåt ger upphov till vad vi benämner sensibelt värmeflöde (sensibel = det man kan känna).

Avdunstning är också värmeflöde, eftersom värme åtgår vid ytan för att avdunsta vatten (bilda vattenånga) och frigörs i atmosfären då vattenångan kondenserar (bildar vattendroppar och moln). Detta värmeflöde benämner vi latent värmeflöde. Det är det latenta värmeflödet som ger upphov till exempelvis stackmoln (cumulusmoln) under sommaren.

Nettostrålningsbalansen och värmeflöden bildar tillsammans ytans energibalans.

Momentumflödet är den dynamiska friktionen mot marken som gör att vindhastigheten är lägre närmare markytan än högre upp.

Förutom för att modellera flöden mellan mark och atmosfär, har markens beskrivning stor inverkan på vädret nära marken, till exempel marknära temperaturer, vind och fuktighet. Även andra processer som dimma och frost (halka) är starkt beroende av hur denna modellering är gjord.

Ett exempel på ett markschema

En gridruta i en numerisk värderprognosmodell har en utsträckning av några kilometer. I en global modell kanske cirka 25 km, och i en modell på begränsat område ned till någon km. Det betyder att det i regel finns olika typer av markegenskaper inom en gridruta. I figuren ses en ruta som är ca 10*10 km (Norrköping). Den består av ca 35% skog, 30% odlad mark (låg vegetation), 25% vatten och 10% stadsbebyggelse.

V isar 10*10 kms område nära Norrköping
En gridruta kan vara mycket inhomogen

Inhomogeniteten kan behandlas på i princip två olika sätt

Man kan behandla markens egenskaper (till exempel skrovlighet, jordegenskaper, vegetationsegenskaper och albedo, det vill säga ytans reflektionsförmåga) som ett viktat medelvärde över ytan och låter exempelvis marktemperaturen vara representativ för hela rutan. Detta kallas medelvärdesbildning av parameterna. Med hjälp av dessa värden och modellens värden i lägsta modellnivån, beräknas värmeflöden och momentumflöde mellan mark och atmosfär.

Ett annat sätt är att använda delytor (till exempel skog, öppet land och sjö) och räkna energibalansen för varje delyta. Då måste man ha separata marktemperaturer etc för varje delyta, eftersom de har olika egenskaper. Man medelvärdesbildar sedan flödena över gridrutan. Detta sätt är mer fysikaliskt.

Ett (extremt) exempel är en kall vinterdag då marken är snötäckt och temperaturen är kanske -20 grader. Om det då finns öppet vatten (till exempel Vättern kan vara utan is), kan värmeflödet (sensibelt + latent värme) uppgå till cirka 600 W/m2 (Watt per kvadratmeter), medan värmeflödet över snön rör sig om några få W/m2. Om gridrutan då består av 90% snötäckt mark och resten vatten, så betyder det att praktiskt taget hela värmeflödet kommer från vattnet. Ett viktat medelvärde av markparametrar skulle i detta fall ge ett helt felaktigt värmeflöde från gridrutan.

I de väderprognosmodeller som används på SMHI delas varje gridruta upp i ett antal delytor, till exempel hav, sjöar, skog och öppet land. Vintertid kan hav och sjöar vara täckta av is och delytorna över land av snö.