Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG)

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1 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)

2 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

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

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

5 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!

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

7 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)

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

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

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

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

12 Parametrisierte Prozesse
IWHW 2 Mai 2007

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

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

15 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

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

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

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

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

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

21 Prognose lokaler Gewitterniederschläge
IWHW 2 Mai 2007 Modell Modell Radar Radar

22 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

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

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