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2 Mai 2007
IWHW
Konzepte meteorologischer Vorhersagemodelle am Beispiel von ECMWF und ALADIN
T. Haiden
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG)
2 Mai 2007
IWHW
Wettermodelle
Wettermodell = Strömungsmodell auf Kugeloberfläche
Modellgleichungen physikalisch, nicht statistisch
- Bewegungsgleichungen (Wind)
- Thermodynamische Gleichungen (Strahlung, Temperatur)
- Wasserbilanzgleichung (Niederschlag, Verdunstung)
Gleichungen gekoppelt, nichtlinear, analytisch nicht lösbar
numerische Näherungslösung auf Rechengitter
2 Mai 2007
IWHW
Wettermodelle
x=25-40 km
Globales Rechengitter
2 Mai 2007
IWHW
Wettermodelle
z=50-500 m
50 Schichten, 800000 Gitterpunkte horizontal
40 Mio Gitterpunkte in 3D-Gitter
Höhe
Globales Rechengitter: vertikal
2 Mai 2007
IWHW
Wettermodelle
Erhebung des dreidimensionalenAnfangszustandes der Atmospäre
Prognose eines späteren dreidimensionalen Zustandes
+00 h +24 h
= Integrationsschritt (5-10 Minuten)Rechenzeit pro Schritt << Schritt!
Grundprinzip der numerischen Wetterprognose
2 Mai 2007
IWHW
Integrationsschritt
...
x
Tu
t
T
Zeitl. Temperaturänderung = Windgeschwindigkeit x Temperaturgradient + ...
Beispiel Temperaturprognose:
...),(),(
),(),(),(
x
txTtxxTtxu
t
txTttxT
Diskretisierung: Differentiale durch endliche Differenzen ersetzt
2 Mai 2007
IWHW
Meteorologische ‚Scales‘
20 m 200 m 2 km 20 km 200 km 2000 km 20000 km
Globale Modelle (ECMWF)
TurbulenzThermik
TornadosGewitter
Superzellen FrontenSquall-Lines Planetare Wellen
Wolken- physik
Mesoskalige Modelle (ALADIN)
2 Mai 2007
IWHW
Grundaufbau eines Wettermodells
Modelldynamik
Modellphysik
Berechnung der Strömung(3-dimensionales Windfeld)
Parametrisierte Prozesse(Strahlung, Wolken, Niederschlag)
Teilweise empirisch, vereinfacht Prognosenunsicherheit
2 Mai 2007
IWHW
Parametrisierte Prozesse
Wenn explizite Modellierung auf Rechengitter nicht möglich:
Start eines Unterprogramms, z.B. ‚Gewitterzelle‘
2 Mai 2007
IWHW
Parametrisierte Prozesse
Unterprogramm ‚Reibung durch Topographie‘
Ansatz: statistische Behandlung der nicht durch das Rechengitter repräsentierten topographischen Strukturen
2 Mai 2007
IWHW
Parametrisierte Prozesse
Unterprogramm ‚Tropfenwachstum‘
10 m
Ansatz: analytische Integration über Tropfenspektrum
2 Mai 2007
IWHW
Parametrisierte Prozesse
2 Mai 2007
IWHW
Mesoskaliges Modell ALADIN
ALADIN (ZAMG): 1300 x 1100 km, dx = 9.6 km, 37 Schichten
2 Mai 2007
IWHW
Beispiel Niederschlagsprognose
ECMWF ALADIN
Globales Modell Mesoskaliges Modell
2 Mai 2007
IWHW
Verifikation: Was können die Modelle?
Temperaturprognose Wien Hohe Warte, Winter 2003
1.52
2.53
3.54
4.55
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Prognosetag
Mit
tl. A
bso
lutf
ehle
r (C
)
00:00
06:00
12:00
18:00
2 Mai 2007
IWHW
Verifikation: Was können die Modelle?
Mehrstündige Tendenz wird erfasst, kurzzeitige Schwankungen (1-3 h) nicht
Wr.Neustadt, 04.07. bis 06.07.2003
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66
Zeit [h]
Win
dg
es
ch
win
dig
ke
it [
m/s
]
Modellprognose
Beobachtung
2 Mai 2007
IWHW
Verifikation: Was können die Modelle?
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25 30 35
Beobachtung (mm/24h)
Pro
gn
ose (
mm
/24h
)
r²=0.50
Niederschlagsprognose Raum Salzburg
Korrelation r²=0.50
2 Mai 2007
IWHW
Prognose von Flächenniederschlägen
Gebietseinteilung für hydrologische Zwecke(Wasserstands- und Durchflussprognosen)
2 Mai 2007
IWHW
Prognose von Flächenniederschlägen
Hochwasser August 2002 – 1. Ereignis
Von Modellen unzureichend erfasst (zweites Niederschlagsmaximum!)
2 Mai 2007
IWHW
Prognose von Flächenniederschlägen
Hochwasser August 2002 – 2. Ereignis
Von Modellen zufriedenstellend erfasst
2 Mai 2007
IWHW
Prognose lokaler Gewitterniederschläge
Modell Modell
Radar Radar
2 Mai 2007
IWHW
Der Schmetterlingseffekt
Kleine Unterschiede im Anfangszustand führen zu beliebig großen Abweichungen zu einem späteren Zeitpunkt
Problem aufgrund dämpfender Effekte in der realen Atmosphäre meist entschärft, aber:
Von Fall zu Fall stark unterschiedliche Prognosegüte
Ansatz: Ensembleprognosen = Vorhersage der Unsicherheit
2 Mai 2007
IWHW
Der Schmetterlingseffekt
Prognose der Höhenströmung für Freitag 3. März 2006
2 Mai 2007
IWHW
Der Schmetterlingseffekt
Prognose der Höhenströmung für Dienstag 7. März 2006