Ensemble-based Methods for Environmental Monitoring and Prediction (EmblA)

Nordic Centre of Excellence EmblA arbejder med at forbedre computermodeller og metoder, så vi bedre kan vurdere og estimere usikkerheder i kommende miljø- og klimaforhold. Centret er tværfagligt, og resultaterne vil kunne bruges i mange forskellige sammenhænge, hvor der skal ses frem i tiden.

Mod større præcision i prognoser for vejr-, miljø- og klimaforhold

I Bergen på Nansen Environmental and Remote Sensing Center leder professor Geir Evensen sammen med projektkoordinator, ph.d. Laurent Bertino forskningsprojektet EmblA (Ensemble-based Methods for Environmental Monitoring and Prediction), et NordForsk Nordic Centre of Excellence (NCoE).

Det femårige projekt er finansieret gennem NordForsks Nordisk eVitenskaps globaliseringsinitiativ (NeGI). Centret er tværfagligt og består af partnere i Norge (Nansen Environmental and Remote Sensing Center), Finland (Finnish Meteorological Institute), Danmark (DHI) og Frankrig (MINES ParisTech), og kombinerer kompetencer inden for matematik, geostatistik, fysik og itI alt arbejder 10 forskere sammen i EmblA. 

Fokus er på udvikling af matematiske metoder, så information fra empirisk observerede data fra vejr, klima og miljø kan udnyttes bedre. Forskningsprojektet kombinerer nummeriskecomputerbaserede modeller med empiriske observationer. 


Geir Evensen







Professor Geir Evensen, Nansen Environmental and Remote Sensing Center

Usikkerheder i klimaforhold skal præciseres 

Målet for EmblA’s arbejde er at gøre prediktioner af vejr- og klimaforhold mere præcise. Eller udtrykt mere korrekt: At mindske og præcisere usikkerheder i for eksempel vejrudsigter. 

'Når du varsler en storm, så er det meget vigtigt at kende ekstremscenariet, for stormen kan blive farlig, hvis den når en vis styrke. I EmblA arbejder vi på at udvikle en systematik, der kan  fortælle os, hvor store usikkerhederne i prediktionen er. På den måde kan du vurdere worst case scenarios,' fortæller Geir Evensen.  

Og det er meget værd at kunne regne sig frem til både mere præcise gennemsnit og at kunne forudse omfanget af ekstremsituationer. Det gælder både vejrudsigten for i morgen, men det kan også bruges til at guide skibstrafik i forhold til havis, til at vurdere om lufttrafikken skal lukkes, hvis der er opstået en vulkansk askesky, og hvor en olieboreplatform skal stå, og hvor stærk den skal være. Arbejdet kan bruges til mange former for anvendelser, for det er selve den matematiske metode, forskerne arbejder med. 

'EmblAs arbejde vil for eksempel kunne bruges til at vurdere, om det betaler sig at bore en oliebrønd. Når du planlægger dimensionerne af brønden, så laver du forskellige scenarier for, hvor meget den koster at lave, og hvad den kan producere. I disse scenarier vil der være en stor usikkerhedsmargin. Hvis du bygger den for avanceret, bliver den for dyr, hvis du bygger den for enkel, producerer den ikke nok og bliver også for dyr. Der kan spares mange ressourcer på at kunne vurdere usikkerheder bedre,’ siger Evensen. 

Hvordan bliver vejret i Bergen i morgen? 

I dag findes der masser af modeller til at forudsige vejrforhold. EmblA's udfordring er at udvikle computerberegninger ved at bruge de afvigelser, der er mellem prediktioner og realiteten til at minimere usikkerhederne. Geir Evensen forklarer: 

'Forestil dig, at du har lavet en vejrudsigt for næste dag, og så kommer du til næste dag, og så stemmer din prediktion ikke helt. Så er der en uoverensstemmelse, som du må gøre noget med. Hvis prediktion og observation ikke stemmer, så kan vi bruge den information til at forbedre den model, du arbejder med. Det bruger vi 'ensemble-metoder' til. Vi registrerer differencen mellem det, der predikteres, og det, der observeres, og så prøver vi at opdatere modellerne, så vi får en mere nøjagtig beskrivelse. Vi får resultater med et kvantificeret usikkerhedsspænd, dvs. at du ved, hvor usikre dine resultater er. Så du ved, at temperaturen i Bergen i morgen vil være mellem 21 og 23 grader, i stedet for kun at vide, at den cirka bliver 22 grader.' 

EmblA kombinerer observationer og computermodellering for bedre at kunne prediktere, og særligt for at kunne kende de usikkerheder, der er i prediktionen. Hvad sker der i fremtiden, og hvad er usikkerhedsspændet?

Laurent Bertino tilføjer: 

'Man kan sammenligne vores arbejde med at kigge på et kort på bordet. Man kommehurtigt til at tro, at det er virkeligheden, men det er det ikke - det er kun et kort. Et kort har usikkerheder, men det er vanskeligt at se, når man kun kigger på ét kort. Men hvis man lægger flere kort oven på hinanden, så begynder man at tænke anderledes.' 

EmblA arbejder med modeller, som beskriver et fysiske systemer, fx havcirkulation, atmosfæren i forbindelse med vulkansk askesky, en reservoirbeskrivelse, eller et system for grundvand. Det grundlæggende er en matematisk model, som får inputdata, og som genererer output, der tolkes som resultater. 

'I traditionel modellering vælger man én værdi i inputtet, og så får man et resultat ud. Hvis man nu vælger en værdi herfra,' siger Evensen og peger på en graf, 'så kan man få et resultat, som ikke er egentligt repræsentativt. Det er farligt at træffe store beslutninger på det ene resultat, så du bør se på effekten af hele usikkerheden og på det udfaldsrum, det giver. Herudfra kan du så sige, at det er mest sandsynligt at 'sådan og sådan'. Der er et minimum og et maksimum på dine resultater, som usikkerheden er spændt ud mellem. Det er en stokastisk måde at arbejde på frem for en deterministisk, som bruges inden for mange fagfelter,' lyder det fra Geir Evensen. 

'Det karakteristiske er, at vi har at gøre med ikke-lineære modeller, og at vi arbejder med høje dimensioner, dvs. at der er millioner af ukendte faktorer. Så vi kan sjældent arbejde på en almindelig computer, vi har brug for store maskiner med mange kræfter,' supplerer Bertino.  

I EmblA skal man kunne lidt mere end sit fagfelt 

EmblA har nu været i gang med arbejdet siden starten af 2014 og har fundet sine ben.  

Laurent Bertino: 

'Jeg føler, vi er godt i gang. Projektmetodikken er på plads, så alle partnere bruger samme metoder, og vi udveksler mandskab og får på den måde sikret, at vi arbejder mod samme mål og lærer af hinanden samtidig. For EmblA er et meget tværfagligt projekt. Jeg kan for eksempel kun lidt om det, de kan i Finland og vice versa. Det, vi har til fælles, er metoderne.'  

Den vanskeligste hidtil? Geir Evensen er ikke i tvivl: 'Vores største udfordring indtil videre har været at ansætte folk. Projektet behøver folk med helt specielle spidskompetencer, og der er ikke mange, som har disse. Det har overrasket os så få nordiske ansøgere, vi har haft til vores ph.d-stipendiatstillinger. Heldigvis har vi ansøgere fra hele verden, og vi mangler kun at få en enkelt stilling besat. De internationale ansøgere kan være vanskelige at evaluere, fordi vi ikke kender til universiteterne, de er uddannet fra, så det kan være en omfattende proces.  

Det bedste? Laurent Bertino er heller ikke i tvivl: ’Det er meget interessant at se, at nogle af de metoder, vi har arbejdet på i mange år, nu kan tages i brug på andre fagfelter. Det gør det spændende at arbejde med. Dét, at vi sparrer fagligt med for eksempel en meteorolog i Finland og en oceanograf i Norge, er noget som ellers kan være vanskeligt at få til at ske.'  

EmblA's arbejde er på én gang grundforskning og anvendt forskning. Forskerne er dybt inde i komplicerede matematiske problemstillinger samtidig med, at de modeller og metoder, der kommer ud af arbejdet, forholdsvis hurtigt vil kunne bruges af andre forskere, også i kommercielle øjemed.  

'Vores arbejde indgår i et ekspertsystem, hvor man skal kunne lidt mere end sit fagfelt. Vi ved ikke på forhånd præcis hvem, der vil benytte vores metoder. Men vores metoder ligger frit tilgængelige på internettet. Den eneste beskyttelse er kundskab, for der er få, som kan bruge dem til noget. Alt publiceres, og koderne ligger tilgængelige, så folk kan downloade og forsøge sig frem,' siger Geir Evensen. 


Tekst: Linn Hoff Jensen

Fakta om prosjektet
Prosjektleder

Geir Evensen, professor II i anvendt matematik ved Nansen Environmental and Remote Sensing Center, Bergen

Finansieringsform
Nordic Centre of Excellence
Varighet
5 år

Science Advisory Board

Prof. Robert Gurney, Uni. of Reading, Dept. of Meteorology, UK

Dr. Sylvie Joussaume, National Institute of Sciences of the Uni. at CNRS, France

Dr. Serge Guillas, Uni. College London, Dept. of Statistical Science, UK

Dr. David Wallom, Oxford eResearch Centre, UK

Prof. Peter Jan van Leeuwen, Uni. of Reading, Dept. of Meteorology, UK