50 år med kaosteori

Det er i år 50 år siden, meteorologen Edward Lorenz formulerede teorien, der påviste kaos i vejr-forudsigelser. Med DMI's ensemble-prognoser vendes kaosteoriens udfordringer nu til en fordel.

Med en kaosteori på banen var man nødt til at ændre opfattelsen af, hvad der er muligt at forudsige om fremtidens vejr. Selvom kaos antyder uorden og usikkerhed, skal kaosteorien ikke forstås sådan, at det er umuligt at lave forudsigelser om vejret. Eksempelvis er det muligt at forudsige med sikkerhed, at det vil blive sommer om et halvt år, og så længe vi øger mængden af drivhusgasser i atmosfæren, slipper der mindre og mindre varmestråling ud fra den. Kaosteorien påviste derimod, at i mange tilfælde er præcise vejr-forudsigelser ikke kun vanskelige - de er faktisk umulige at lave. 

Overraskende resultater

Meteorologen Edward Lorenz (1917-2008) arbejdede i 1950’erne og 1960’erne med forløberne for de computer-modeller, vi i dag bruger til at beregne vejrudsigter med. Han studerede, hvordan konvektion opstår i en atmosfære med en temperaturforskel fra bund til top.

Konvektion er en proces, hvor der i opadstigende luftstrømme gennem fordampning og fortætning udveksles energi (varme) mellem forskellige niveauer af atmosfæren.

For at tjekke de beregninger, han havde lavet, gentog ham dem. Han tog sig en kop kaffe og ventede en times tid på, at computeren skulle regne færdig. Imens regnede computeren ca. to måneder frem i tid.

Resultaterne, der kom ud anden gang, var helt forskellige fra de første resultater. Lorenz tænkte, at der måtte være sket en fejl, og han granskede derfor resultaterne nøje. Han opdagede, at de to beregninger var ens til at begynde med, derefter blev de lidt forskellige, for til sidst at være helt forskellige. Figuren nedenfor viser, hvad han så, da han printede resultaterne. 

Årsagen til de overraskende resultater var nogle minimale forskelle i de tal, som Lorenz havde brugt til at påbegynde beregningerne. Disse forskelle betød ikke noget til at begynde med, men blev forstærket over tid. Til sidst mindede resultaterne overhovedet ikke om hinanden. 

I en populær fremstilling af kaosteorien sammenlignes dette med, at hvis en sommerfugl blafrer med vingerne i Sydamerika, kan det være forskellen, der gør, at det bliver orkan i Europa to måneder senere.

Ikke-periodiske strømninger

Lorenz navngav selv sin opdagelse for 'forudbestemt ikke-periodisk strømning'. Dette er en mere præcis beskrivelse end 'kaos'. Kaos vil de fleste forstå som støj - noget der er fuldstændig uden sammenhæng.

Det Lorenz opdagede var som tidligere nævnt noget, der var sammenhængende til at begynde med, men som efter et stykke tid blev uforudsigeligt. En periodisk variation er forudsigelig. Det gælder for eksempel for årstidernes variation, der gennemgår en periode på præcis et år.

Periodiske variationer er lette at forudsige - også selv om de sker på lang tidsskala. Ikke-periodiske variationer er derimod vanskelige at forudsige og helt umulige at forudsige efter et vist antal variationer. Forudsigeligheden afhænger af længden på perioderne.

NAO-indeksets variationer

På lang tidsskala kan man som eksempel nævne den ikke-periodiske variation i Nord-Atlanterhavet, der er kendetegnet ved NAO-indekset.

Når NAO-indekset er positivt, kommer der vesten-strømning over Danmark. Om vinteren vil dette resultere i vådt og blæsende vejr. Når NAO-indekset er negativt om vinteren, kan kold luft fra øst trænge ind over landet. I Grønland derimod har NAO den modsatte effekt. I figuren nedenfor ses, hvordan NAO-indekset har varieret gennem de seneste 10 år.

Skulle man have lyst til at selv at begive sig i kast med vejr-forudsigelser, kan man ud fra dataene prøve at gætte på, hvordan NAO-indekset udarter sig i løbet af denne vinter og til næste sommer.

På meget kort tidsskala derimod er variationerne i en sommeropvarmet ustabil luftmasse ikke-periodiske. Variationerne skaber bobler af luft, der stiger hurtigt til vejrs. Det er bobler som disse, der kan give skybrud. Derfor vil vi meget gerne kunne forudsige præcis, hvor disse kommer, så lang tid i forvejen som muligt. Ofte vil det kun være muligt at gøre med få timers varsel.

Kaosteoriens udfordringer vendes til fordel 

For at kunne formulere længeregående varsler har DMI de sidste par år benyttet ensemble-prognoser. Her vendes den udfordring, som kaosteorien giver, til en fordel.

At køre 25 forskellige modeller med samme starttidspunkt men med små forskelle i starttilstandene, gør det muligt at vurdere, hvor forudsigeligt de næste dages vejrsituationer er.

Ensemble-modellerne giver dermed et fornuftigt bud på, om der skal varsles præcist à la vi forventer kraftig regn i Nordjylland i morgen eller mere upræcist à la der er risiko for skybrud over hele landet i morgen.

Figuren nedenfor giver et konkret eksempel på en sandsynligheds-vejrudsigt beregnet med DMI’s ensemble-model. 

Der er ingen steder, hvor der er 100% sandsynlighed for skybrud, men i et større område omkring Kattegat er der mere end 50% sandsynlighed for skybrud. Disse er vist med orange farve. Skybruddet kom to dage senere inden for dette område, nærmere bestemt på Helgenæs syd for Mols.