Naadloze ensemblevoorspellingen voor slimme waterputten

De KMI-weermodellen

Als deel van het ACCORD-consortium, werkt het KMI mee aan de ontwikkeling en continue verbetering van de numerieke weermodellen die door de voorspellers en voor verscheidene toepassingen gebruikt worden. Verschillende modelversies, namelijk ALARO en AROME, berekenen de kortetermijnvoorspellingen (tot 48 uur vooruit). Deze modellen simuleren de atmosfeer op een zeer hoge resolutie van 1.3 km x 1.3 km, en laten toe om zelfs fenomenen als onweders met extreme neerslag getrouw weer te geven.

Met dank aan deze geavanceerde weermodellen, hebben we een goede indicatie van waar en wanneer de buien zullen vallen. Een indicatie, want de exacte locatie van een bui is zeer moeilijk te voorspellen. Meestal weet je pas een halfuur op voorhand, geholpen door de radarbeelden, de exacte plaats waar een bui zal vallen.

Fietsers en BBQ-organisatoren willen goede voorspellingen, maar hydrologische diensten en andere gebruikers stellen hogere eisen en wensen ook een schatting van de nauwkeurigheid van voorspellingen. Op die manier kunnen ze betere beslissingen nemen om te anticiperen op wateroverlast of watergebruik te optimaliseren. Modelleurs willen graag een antwoord bieden op deze vraag en dat doen ze door gebruik te maken van een naadloos ensemblevoorspellingssysteem.

Een ensemble betekent dat het systeem niet één voorspelling, maar wel een aantal verschillende scenario's geeft, die een idee geven van de onzekerheid van de voorspelling. Niet enkel voor neerslag, maar ook voor andere parameters is er een onzekerheid, en die neemt toe naarmate je verder in de toekomst voorspelt. Dit heet ook wel het onvermijdelijke "vlindereffect" in chaotische systemen. Daarom gebruiken we al langer de ensemblevoorspellingen van het Europees Centrum (ECMWF) om de onzekerheid tot 2 weken vooruit in te schatten.

De laatste jaren werken we echter ook aan methodes om ensembles van zeer kortetermijnvoorspellingen of zogenaamde nowcasting (vanaf 5 minuten vooruit) te maken. Voor neerslag vertrekken deze voorspellingen van de meest recente beelden van de neerslagradars, die naadloos gecombineerd worden met de numerieke weermodellen van ACCORD.

Het nieuwe systeem heeft als doel om de onzekerheid van verschillende weersituaties getrouw weer te geven. Wat wil dat zeggen? Als er weinig onzekerheid is op de voorspelling, zoals neerslag bij een duidelijk front, geven alle leden van het ensemble ongeveer dezelfde voorspelling. Bij hoge onzekerheid, zoals lokale onweders, verschillen ze juist sterk van elkaar. Dit laat gebruikers toe om de kans op (extreme) neerslag beter in te schatten.

Deze algoritmen werden ontwikkeld in de open source software pysteps (https://github.com/pySTEPS), in samenwerking met verschillende partners waaronder Wageningen University & Research en Deltares. Het KMI werkt o.a. ook samen met de VUB, KU Leuven en VMM in de projecten DERISC en PRECIP-PREDICT, gefinancierd door BELSPO, om deze naadloze ensemblevoorspellingen nog te verbeteren met artificiële intelligentie.

De verschillende scenario’s van een ensemblevoorspelling laten toe op een betere manier met de onzekerheid in de voorspellingen om te gaan, en ook de gevolgen of de impact beter in te schatten.  Het is dan ook de geknipte kandidaat om het inventieve Aqtiput-systeem van Aquafin (https://www.aquafin.be/en/aqtiput) aan te sturen. Aqtiput wil slimme regenwaterputten gaan gebruiken om overstorten (afvalwater in de natuur lozen) of overstromingen te minimaliseren. Door regenputten op voorhand deelste ledigen, is er capaciteit beschikbaar om plotse intense neerslag op te vangen, en zo overstromingen door een overbelast rioolsysteem te vermijden.

Maar hoe stuur je zo’n complex systeem aan op basis van ensemblevoorspellingen? Met dank aan BE-MATHS-IN, kwam onze vraag terecht op het bord van een pientere groep wiskundeknobbels. De Standaard berichtte hierover in hun artikel van 18 september.

BE-MATHS-IN is een Belgisch universitair netwerk rond toegepaste wiskunde. Jaarlijks brengen ze wiskunde-experten uit het hele land samen tijdens hun studieweek “Mathematics for Industry” die dit jaar plaatsvond aan de VUB. De wiskundigen krijgen een week de tijd om hun tanden te zetten in een selectie van pittige problemen, voorgeschoteld door verschillende bedrijven zoals o.a. Siemens, Engie, Melexis, en dit jaar ook Aquafin samen met KMI. Onze volledige probleemstelling kan je nalezen op hun website.

Onze groep van 6 wiskunde-experten, met een zeer diverse achtergrond, kon onze probleemstelling razendsnel reduceren tot een mooi wiskundig probleem. Op het einde van de week hadden ze al verschillende oplossingen uitgewerkt, met zelfs animaties van vereenvoudigde rioolnetwerken die op basis van hun algoritmes werden aangestuurd. Uiteraard moet hun oplossing nog door Aquafin gevalideerd worden, maar ze oogt zeer veelbelovend. In oktober wordt het verslag hiervan op de website van BE-MATHS-IN gepubliceerd.