Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) IWHW 2 Mai 2007 Konzepte meteorologischer Vorhersagemodelle am Beispiel von ECMWF und ALADIN T. Haiden Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG)

Wettermodelle Wettermodell = Strömungsmodell auf Kugeloberfläche IWHW 2 Mai 2007 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

Wettermodelle IWHW 2 Mai 2007 Globales Rechengitter x=25-40 km

Wettermodelle Globales Rechengitter: vertikal IWHW 2 Mai 2007 Globales Rechengitter: vertikal z=50-500 m Höhe 50 Schichten, 800000 Gitterpunkte horizontal  40 Mio Gitterpunkte in 3D-Gitter

Grundprinzip der numerischen Wetterprognose Wettermodelle IWHW 2 Mai 2007 Grundprinzip der numerischen Wetterprognose +00 h +24 h Erhebung des dreidimensionalenAnfangszustandes der Atmospäre Prognose eines späteren dreidimensionalen Zustandes = Integrationsschritt (5-10 Minuten) Rechenzeit pro Schritt << Schritt!

Integrationsschritt Beispiel Temperaturprognose: IWHW 2 Mai 2007 Beispiel Temperaturprognose: Zeitl. Temperaturänderung = Windgeschwindigkeit x Temperaturgradient + ... Diskretisierung: Differentiale durch endliche Differenzen ersetzt

Meteorologische ‚Scales‘ IWHW 2 Mai 2007 Turbulenz Tornados Superzellen Fronten Thermik Gewitter Squall-Lines Planetare Wellen Wolken- physik 20 m 200 m 2 km 20 km 200 km 2000 km 20000 km Globale Modelle (ECMWF) Mesoskalige Modelle (ALADIN)

Grundaufbau eines Wettermodells IWHW 2 Mai 2007 Berechnung der Strömung (3-dimensionales Windfeld) Modelldynamik Parametrisierte Prozesse (Strahlung, Wolken, Niederschlag) Modellphysik Teilweise empirisch, vereinfacht  Prognosenunsicherheit

Parametrisierte Prozesse IWHW 2 Mai 2007 Wenn explizite Modellierung auf Rechengitter nicht möglich: Start eines Unterprogramms, z.B. ‚Gewitterzelle‘

Parametrisierte Prozesse IWHW 2 Mai 2007 Unterprogramm ‚Reibung durch Topographie‘ Ansatz: statistische Behandlung der nicht durch das Rechengitter repräsentierten topographischen Strukturen

Parametrisierte Prozesse IWHW 2 Mai 2007 Unterprogramm ‚Tropfenwachstum‘ 10 m Ansatz: analytische Integration über Tropfenspektrum

Parametrisierte Prozesse IWHW 2 Mai 2007

Mesoskaliges Modell ALADIN IWHW 2 Mai 2007 ALADIN (ZAMG): 1300 x 1100 km, dx = 9.6 km, 37 Schichten

Beispiel Niederschlagsprognose IWHW 2 Mai 2007 ECMWF ALADIN Globales Modell Mesoskaliges Modell

Verifikation: Was können die Modelle? IWHW 2 Mai 2007 Temperaturprognose Wien Hohe Warte, Winter 2003 5 4.5 00:00 4 3.5 06:00 Mittl. Absolutfehler (C) 3 12:00 2.5 18:00 2 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Prognosetag

Verifikation: Was können die Modelle? IWHW 2 Mai 2007 Modellprognose Beobachtung Mehrstündige Tendenz wird erfasst, kurzzeitige Schwankungen (1-3 h) nicht

Verifikation: Was können die Modelle? IWHW 2 Mai 2007 Niederschlagsprognose Raum Salzburg Korrelation r²=0.50

Prognose von Flächenniederschlägen IWHW 2 Mai 2007 Gebietseinteilung für hydrologische Zwecke (Wasserstands- und Durchflussprognosen)

Prognose von Flächenniederschlägen IWHW 2 Mai 2007 Hochwasser August 2002 – 1. Ereignis Von Modellen unzureichend erfasst (zweites Niederschlagsmaximum!)

Prognose von Flächenniederschlägen IWHW 2 Mai 2007 Hochwasser August 2002 – 2. Ereignis Von Modellen zufriedenstellend erfasst

Prognose lokaler Gewitterniederschläge IWHW 2 Mai 2007 Modell Modell Radar Radar

Der Schmetterlingseffekt IWHW 2 Mai 2007 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

Der Schmetterlingseffekt IWHW 2 Mai 2007 Prognose der Höhenströmung für Freitag 3. März 2006

Der Schmetterlingseffekt IWHW 2 Mai 2007 Prognose der Höhenströmung für Dienstag 7. März 2006