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September 2010 Numerische Wettervorhersage beim Deutschen Wetterdienst (DWD) Detlev Majewski, DWD, Forschung und Entwicklung

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Präsentation zum Thema: "September 2010 Numerische Wettervorhersage beim Deutschen Wetterdienst (DWD) Detlev Majewski, DWD, Forschung und Entwicklung"—  Präsentation transkript:

1 September 2010 Numerische Wettervorhersage beim Deutschen Wetterdienst (DWD) Detlev Majewski, DWD, Forschung und Entwicklung Tel.: Deutscher Wetterdienst

2 September 2010 Gliederung Wie erstellt man eine Wettervorhersage? Modellkette des DWD Physikalische Grundlagen der NWV-Modelle NWV-Modelle auf Hochleistungsrechnern Wettervorhersage als Anfangswertproblem Verifikation der Vorhersagen Vorhersagbarkeit des Wetters

3 September 2010 Wie erstellt man eine Wettervorhersage? Beobachtung des Wetters Numerische Analyse des Wetters Numerische Vorhersage des Wetters Automatische und manuelle Aufbereitung der Kunden- produkte Feuerwehr Polizei Wasser- wirtschaft Energie Verkehr Landwirt- schaft Miltär Medien …

4 September 2010 Die Modellkette des DWD GME  x = 30 km COSMO-EU  x = 7 km COSMO-DE  x = 2.8 km GME: Maschenweite: 30 km * 60 Gitterpunkte Zeitschritt: 100 sec. Vorhersagen bis 7 Tage COSMO-EU: Maschenweite: 7 km 665*657 * 40 Gitterpunkte Zeitschritt: 66 sec. Vorhersagen bis 78 Stunden COSMO-DE: Maschenweite: 2.8 km 421*461 * 50 Gitterpunkte Zeitschritt: 25 sec. Vorhersagen bis 21 Stunden

5 September 2010 Physikalische Grundlagen der numerischen Wettervorhersagemodelle (NWV-Modelle) Erhaltungsgleichungen für MasseDruckgleichung ImpulsWindgleichung EnergieTemperaturgleichung FeuchteWasserdampf, Wolkenwasser, Wolkeneis, Regen, Schnee, … SpurengaseOzon

6 September 2010 Leonard Euler: Mathematiker 1707 (Basel) – 1783 (St. Petersburg) Generelle Form der Gleichungen turbcondconvrad SSSSDyn z w y v x u tdt d               Prognostische Gleichung: "Dynamik" und "Physik" System von gekoppelten, partiellen, nichtlinearen Differentialgleichungen. Analytische Lösungen nur für vereinfachte Probleme, deshalb numerische Lösung, z.B. mit finiten Differenzen.

7 September 2010 Gittergenerierung im Globalmodell GME

8 September 2010 Topographie im GME (Δx = 30 km) ^ Mont Blanc (4810 m) Globe, Gitterfläche: 1 km 2 GME, Gitterfläche: 778 km 2

9 September 2010 Topographie im COSMO-EU (Δx = 7 km) ^ Mont Blanc (4810 m) COSMO-EU, Gitterfläche: 49 km 2 Globe, Gitterfläche: 1 km 2

10 September 2010 Topographie im COSMO-DE (Δx = 2.8 km) ^ Mont Blanc (4810 m) COSMO-DE, Gitterfläche: 8 km 2 Globe, Gitterfläche: 1 km 2

11 September 2010 Vorhersage der Bewölkung im GME (Δx = 30 km) und COSMO-DE (Δx = 2.8 km)

12 September 2010

13 Wettervorhersage auf Supercomputern NEC SX-9 14 Rechenknoten 224 Vektorprozessoren 22 TFlop/s Spitzenleistung GME (global) 40 Prozessoren 39 Millionen Gitterpunkte 24h-Vorhersage in 15 Minuten COSMO-EU (Europa) 16 Prozessoren 17 Millionen Gitterpunkte 24h-Vorhersage in 25 Minuten COSMO-DE (Deutschland) 12 Prozessoren 10 Millionen Gitterpunkte 21h-Vorhersage in 28 Minuten

14 September 2010 ? Was passiert dann? Wettervorhersage Wettervorhersage als Anfangswertproblem ?

15 September 2010 Wettervorhersage als Anfangswertproblem und Randwertproblem (unterer Rand am Erdboden/Meere) An jedem Gitterpunkt müssen wir Druck, Temperatur, Wind, Wasserdampf, Wolken usw. zum Anfangstermin (Starttermin der Vorhersage, z.B. heute 00 UTC) vorgeben. Dann können wir die zukünftige Wetter- entwicklung auf der Grundlage der Modellgleichungen berechnen.

16 September 2010 Das globale Wetterbeobachtungssystem

17 September 2010 Synoptische Stationen und Schiffe

18 September 2010 Bojen im Meer (verankert und frei beweglich)

19 September 2010 Radiosonden (Wetterballone)

20 September 2010 Messungen von Verkehrsflugzeugen (AMDAR)

21 September 2010 Messungen von polarumlaufenden Satelliten

22 September 2010 Messungen von geostationären Satelliten

23 September 2010 Radardaten für die Bestimmung des Anfangszustandes im COSMO-DE

24 September 2010 PSAS 3D-Var Datenassimilation für GME Datenassimilation Geeignete Verknüpfung einer kurzfristigen Modellvorhersage („First Guess“ oder „Background“ x b ) mit den Beobachtungen y o. Es wird eine Kostenfunktion J (x) minimiert, die aus zwei Anteilen J b und J o besteht. J b beschreibt die Abweichung der Lösung x (Anfangszustand) von x b mit der Kovarianzmatrix des Vorhersagefehlers P b. J o beschreibt die Abweichung der Lösung x (Anfangszustand) von y o mit dem Vorwärtsoperator H und dem Beobachtungsfehler R.

25 September 2010 Zeitliche Entwicklung der Güte der Wettervorhersagemodelle

26 September 2010 Gewitterlage am 13. Mai 2007 Am Abend des 13. Mai 2007 verursachte eine Kaltfront die Bildung einer Linie von Schwergewittern über Deutschland. Nach der “European Severe Weather Database “ wurden folgende Ereignisse beobachtet: –F2 Tornado in der Nähe von Kall-Sistig um 19:15 UTC –Möglicher F0 Tornado in der Nähe von Wirges um 18:30 UTC –Mehrere Berichte von großen Hagelkörnern bis zu 3 cm Durchmesser im Gebiet von Aachen/Koblenz –Zusätzlich beobachteten “Storm Chaser” Superzellen. Bodenanalyse, 13. Mai UTC

27 September 2010 Gewitterlage am 13. Mai 2007: Superzellen Radar und... COSMO-DE Vorhersagen mit unterschiedlichen Startterminen COSMO-DE gibt in allen Vorhersagen einen generellen Hinweis auf Superzellen in dem betroffenen Gebiet. Ab der 06 UTC-Vorhersage zeigen alle Modellrechnungen eine Linie hochreichender Konvektionswolken. Die Position einzelner Zellen ist allerdings kaum vorhersagbar.

28 September 2010 BlaBla Radarkomposit und Modellreflektivität: 15. Juni 2007 COSMO-DE erlaubt eine gute Vorhersage, wo und wann hochreichende Konvektion entsteht. Genaue deterministische Vorhersagen können auf dieser Skala nicht erwartet werden.

29 September 2010 Probabilistische Wettervorhersagen Das Wetter ist nicht exakt deterministisch vorhersagbar, weil der Anfangszustand (Analyse) der Vorhersagerechnung nur ungenau bekannt (beobachtet) ist, die Randbedingungen (z. B. Ozeanoberflächentemperaturen, Vegetationskenngrößen) nur ungenau bekannt sind, die Modellgleichungen die Wirklichkeit nur näherungsweise beschreiben, die Lösungsalgorithmen die Differentialgleichungen nur näherungsweise lösen, das Fehlerwachstum skalenabhängig dazu führt, dass die Vorhersagbarkeit wenige Stunden (für Gewitterwolken) bis wenige Tage (für Hoch- und Tiefdruckgebiete) beträgt. Deshalb wird neben der deterministischen Vorhersage ein Ensemble von Vorhersagen (Monte-Carlo-Methode) mit verschiedenen Anfangs- und Randbedingungen und Modellversionen gerechnet.

30 September 2010 Ensemble von Vorhersagen

31 September 2010 Zusammenfassung und Ausblick Numerische Wettervorhersage (NWV) umfasst viele Raum- und Zeitskalen (> km bis 100 h bis < 1 min). Die NWV-Modelle basieren auf physikalischen Grundprinzipien, beschreiben die Wirklichkeit aber nur näherungsweise. Der Anfangszustand (Analyse) für die Vorhersagerechnung wird im Rahmen der Datenassimilation aus einer Mischung von Modellschätzwert und Beobachtungen bestimmt. Wettervorhersage ist inhärent unsicher. Zukünftig stellt der Wetterdienst hochauflösende Ensemble- Rechnungen (Monte-Carlo-Methode) bereit, um diese Unsicherheit zu quantifizieren und vor Wettergefahren bestmöglich zu warnen.


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