Christian STEFAN, Kundenservice für Kärnten. Das WETTER - Von der Diagnose zur Prognose

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1 Christian STEFAN, Kundenservice für Kärnten Das WETTER - Von der Diagnose zur Prognose

2 Inhalt Wetterbeobachtungssysteme Folie 2 Kurzfristprognose - Warnungen Wettermodelle und ihre Grenzen (zeitlich / räumlich) Chaostheorie - der Schmetterlingseffekt Wetterinformationsquellen

3 Inhalt Wetterbeobachtungssysteme Folie 3 Kurzfristprognose - Warnungen Wettermodelle und ihre Grenzen (zeitlich / räumlich) Chaostheorie - der Schmetterlingseffekt Wetterinformationsquellen

4 Wetterphänomene in verschiedenen Größenordnungen (räumlich und zeitlich) Wettervorhersagemodelle Folie 4 Nowcasting

5 WETTERSATELLIT AMDAR Folie 5 RADIOSONDE Ist-Zustand der Atmosphäre RADAR WETTERSTATION BOJE Der Ist-Zustand der Atmosphäre wird mittels verschiedener Beobachtungssysteme ermittelt. Die wichtigsten sind Radiosondenmessungen (Wetterballon), Satellitendaten, Radardaten, Wetterstationsdaten, Meeresstationsdaten (Bojen) und Flugzeugdaten.

6 Radiosonden - Wetterballons In Österreich vier Standorte Folie 6

7 TAWES Wetter-Station TAWES bedeutet: Teil Automatisches Wetter Erfassungs System Die Daten dieser Station werden im 10 Minuten-Rhythmus abgefragt und an die ZAMG weitergeleitet. Dort werden sie auf ihre Qualität geprüft, in Datenbanken für eine Weitergabe an Kunden archiviert und für die Erstellung von Vorhersagen verwendet. Gemessen werden: Lufttemperatur Luftfeuchte bzw. Taupunkttemperatur Niederschlag (ja /nein) Niederschlagsmenge Luftdruck (beim Zentralrechenschrank, ohne Abbildung) Globalstrahlung Windgeschwindigkeit und richtung Sonnenschein (ja/nein) 4 Erdbodentemperaturen Weitere Informationen:

8 Wetterstationen Österreich Folie 8

9 Radar (RAdio Detection And Ranging) Funktionsweise Folie 9

10 Österreichisches Wetterradarsystem Folie 10

11 Was sieht ein Radar im Gebirge? ZAMG Sturmwarnung 31. Mai 2015 Folie 11

12 Wetterradarbild Österreich - Detektion von Hagel Folie 12

13 Detektion von Hagel Folie 13

14 Inhalt Wetterbeobachtungssysteme Folie 14 Kurzfristprognose - Warnungen Wettermodelle und ihre Grenzen (zeitlich / räumlich) Chaostheorie - der Schmetterlingseffekt Wetterinformationsquellen

15 Nowcasting (Kürzestfristprognosen) (aus now + forecasting ) Wichtig für Kürzestfristprognose (aktuell bis wenige Stunden) Wettersatelliten (15 min/1km) Folie 15 Wetterradar (5 min/1km) Blitzortung (1min/1km) Automat.Messnetz (10 min)

16 Algorithmische Synthese aller möglichen Datenquellen INCA (Integrated Nowcasting through Comprehensive Analysis) Folie 16 Modellanalysen und - vorhersage Bodenbeobachtungen Radar- und Satellitendaten Hoch aufgelöste Topgraphie Daten INCA Hoch aufgelöste Analysen+Vorhersagen Dt=1h (15min), Dx=1km

17 INCA Niederschlagsanalyse Folie 17 Radar Stationsinterpolation Radar skaliert INCA Analyse

18 Verlagerung durch Windvektoren Folie 18

19 Niederschlagsart Wetterinformationen Unwetterwarnungen Folie 19 Neu: - Verbesserte Analyse der Bodentemperatur (Verwendung von +5cm und 10cm Temperatur) - Berücksichtigung von Wettermeldungen bei Bestimmung der Schneefallgrenze

20 Abschätzung der Wettersituation für die nächsten Stunden Beispiel eines Webportals für Straßenwinterdienst Vorhersage INCA-Analyse für für :15 11:00 Uhr +15 Minuten Niederschlag+ Niederschlagsart Wetterinformationen Unwetterwarnungen Folie 20

21 Verfolgung/Tracking Vorhersage von Gewitterzellen Folie 21

22 Hagelwahrscheinlichkeit Folie 22

23 ZAMG Gewitter- und Hagelwarnungen Folie 23 ZAMG Warnungen Innerhalb von 45 Minuten erhöhte Gefahr von Gewitter & Hagel

24 Warnsektoren automatische Sturmwarnung Folie 24 ZAMG: Automat. Sturmwarnung für EST 3: Innerhalb von 30 Minuten erhöhte Gefahr von starken Gewittern mit Hagel und Sturmböen

25 Hagelwahrscheinlichkeit Folie 25

26 Inhalt Wetterbeobachtungssysteme Folie 26 Kurzfristprognose - Warnungen Wettermodelle und ihre Grenzen (zeitlich / räumlich) Chaostheorie - der Schmetterlingseffekt Wetterinformationsquellen

27 Vorhersagen im täglichen Leben Vorhersage: Kann ich die Straße überqueren oder nicht? Folie 27 Verwendete Informationen: 1. Beobachtungen 2. Wissen über Autos, Straßen 3. Erfahrung Statistik Vorhersagefehler durch: - Beobachtungsfehler (falsche Einschätzung) - Modellfehler (Straße rutschig) - Konkreter Fall entspricht nicht der Statistik

28 Grundprinzip der numerischen Wettervorhersage Vorhersagemodelle simulieren atmosphärische Prozesse, die physikalischen Gesetzmäßigkeiten unterliegen ausgehend vom aktuellen Zustand wird zukünftige Entwicklung des Wetters berechnet Folie 28 mit Ausnahme von extrem kurzen Vorhersagezeiträumen (maximal 2 3 Stunden) werden alle Wettervorhersagen auf der Basis dieser Simulationen erstellt Die mathematische Formulierung dieser Beziehungen führt zu einem System von Gleichungen, das die zeitliche Änderung von wichtigen atmosphärischen Variablen wie Luftdruck, Temperatur, Dichte, Wind, Feuchte beschreibt Gleichungen können nur näherungsweise mit Computer gelöst werden

29 Globales Rechengitter Ermittlung eines möglichst sinnvollen physikalisch Anfangszustandes aus möglichst vielen (diskreten!) Messwerten Für eine 5-7 Tagesprognose sind globale Datensätze erforderlich, d. h. auch Vorgänge über dem Südatlantik haben indirekt Einfluss auf unser Wetter! Folie 29 Globale Computermodelle der Atmosphäre haben eine typische Maschenweite von km. Das Gitter überzieht den gesamten Globus.

30 Synoptische Stationen und Schiffe global Observations available for operational GME 12-UTC analysis / forecast Synoptic land stations and ships Folie 30 Manned land (red), automatic land (green) manned ship (blue), automatic ship (cyan) Date / Time: : :00 Total number of reports = 12779

31 Bojen im Meer (verankert und frei beweglich) Observations available for operational GME 12-UTC analysis / forecast Drifting buoys Date / Time: : :29 Total number of reports = 2453 Folie 31

32 Radiosonden (Wetterballone) Folie 32 Observations available for operational GME 12-UTC analysis / forecast Land and ship radiosondes Land Temp (red), Land Pilot (green), Ship Temp (cyan), Ship Pilot (blue), Dropsondes Date / Time: : :00 Total number of reports = 771

33 Messungen von Verkehrsflugzeugen (AMDAR) Observations available for operational GME 12-UTC analysis / forecast Aircraft reports AIREP (red) ACARS (green) AMDAR (cyan) Date / Time: : :59 Total number of reports = Folie 33 AIREP-Meldungen: an festgelegten Punkten im Reiseflug auf speziellen Wegen übermittelt AMDAR-Beobachtungen: kontinuierlich auch während des Steig- und Sinkfluges, die innerhalb der Kommunikation zwischen Flugzeug und Bodenstation in hoher zeitlicher Auflösung übertragen werden

34 Messungen von polarumlaufenden Satelliten Observations available for operational GME 12-UTC analysis / forecast 1dVar Temperature retrievals from satellite (vertical profiles) NOAA 15 (green), NOAA 16 (blue), NOAA 17 (red), AQUA (orange) Date / Time: : :00 Total number of reports = 7040 NOAA 15: 1607, NOAA 16: 2263, AQUA: 3170 Folie 34

35 Vertikale Schichten Folie m Höhe Mehrere Millionen Gitterpunkte In der Vertikalen beträgt die Maschenweite nahe am Erdboden etwa 50 m, in höheren Schichten der Atmosphäre mehrere 100 m Dreidimensionales Gitter mit sehr großer Anzahl von Gitterpunkten, an denen die Berechnungen durchzuführen sind (6.3 x floating point operations für eine komplette 10 Tagesvorhersage!) Hochleistungsrechner benötigt!

36 Hochleistungsrechner ECMWF 2016: 3593 TFLOPs peak performance 3,6 Billiarden/sec Folie 36 ECMWF s current computer system ZAMG 2013: Peak Performance 82 TFLOPs

37 Schrittweise in die Zukunft rechnen Grundprinzip der numerischen Wettervorhersage +00 h +24 h Folie 37 Ist-Zustand der Atmosphäre Zukünftiger Zustand Integrationsschritt numerische durch schrittweises In-die-Zukunft-rechnen der physikalischen Gleichungen Ausgehend vom Ist-Zustand der Atmosphäre wird ein erster Integrationsschritt durchgeführt Der neue, leicht veränderte Zustand der Atmosphäre bildet den Ausgangspunkt einer erneuten Berechnung in einem zweiten Schritt, usw.

38 Wetterkarten ein Ergebnis der Modelle Folie 38

39 Modellfortschritte Vergleich der 3-Tages- und der 5-Tages- Vorhersagen von drei führenden Vorhersagezentren für die nördliche Hemisphäre seit 1989: Je tiefer die Kurve, desto genauer die Vorhersage Folie 39 Prognose für 5 Tage weist heute gleiche Modellgüte auf wie eine Vorhersage für 3 Tage vor 20 Jahren

40 Kleinräumige (lokale) Modelle in Österreich Auflösung 10 km Auflösung 2.5 km Folie 40 An der ZAMG wird seit 1999 ein hochauflösendes Lokalmodell (Maschenweite 10 km) betrieben. Liefert wertvolle Zusatzinformationen, insbesondere bezüglich Niederschlag und Wind. Seit 2014 ist ein weiteres, noch höher auflösendes Modell (AROME) mit einer Maschenweite von 2.5 km und einer detaillierteren Modellphysik im Einsatz. Damit können Prozesse in Alpentälern (z.b. Föhn, Stauniederschlag, Gewitter, Hochnebel) noch besser simuliert werden.

41 Derzeitige Modelle ALARO5 AROME - ECMWF Folie 41 Charakteristik ECMWF Alaro5 AROME* 2016 Start km Horizontale Auflösung 16 km 4.8 km 2.5 km Vertikale Auflösung 91 Schichten Schichten (mehr in Bodennähe) 90 Schichten Unterste Schicht 50 m 10 m Länge Zeitschritt 600 s 180 s 60 s 900 Mio. Gitterpunkte 200 Mio. 600 x x 432 Coupling-Modell - ECMWF ECMWF Vorhersagezeitraum h 2 mal tägl mal täglich mal täglich +30 *) Application of Research to Operations at MEsoscale)

42 Verbesserung bei Hochnebelprognose Folie 42

43 Folie 43

44 Operationelle Modellkette an der ZAMG Global ECMWF EPS-Modell (32km, 6h) Update alle 12h ECMWF Modell (16km,3-6h) Update alle 12h Wetterinformationen Unwetterwarnungen Prognose Folie bis Tage Prognose bis +10 Tage Regional ALARO5 Modell (5km,1h) Update alle 06h AROME Modell (2,5km,1h) Update alle 03h Prognose bis +3 Tage Prognose bis +2,5 Tage Lokal INCA (1km,15min-1h) Update alle 15min-1h Prognose bis +12 h

45 Wetter setzt sich zusammen aus großräumiger Wetterlage (z.b. Ort und Stärke eines Tiefs) und lokalen Wettererscheinungen. Diese können selbst bei gleicher Großwetterlage lokal sehr unterschiedlich sein. Interpretation der Vorhersagekarten, also die Transformation der großräumigen Wetterlage in lokales Wetter Folie 45

46 Inhalt Wetterbeobachtungssysteme Folie 46 Kurzfristprognose - Warnungen Wettermodelle und ihre Grenzen (zeitlich / räumlich) Chaostheorie - der Schmetterlingseffekt Wetterinformationsquellen

47 Ursachen für Fehlprognosen - Modellgrenzen Wetter nicht exakt vorhersagbar, weil Folie 47 der Anfangszustand (Analyse) der Vorhersagerechnung nur ungenau bekannt (beobachtet) ist (Datenlücken, Messfehler) die Randbedingungen (z. B. Ozeanoberflächentemperaturen, Vegetationskenngrößen) nur ungenau bekannt sind die Modellphysik die Wirklichkeit nur näherungsweise beschreibt (kleinräumige Prozesse können nicht genau berechnet werden, beinhalten vereinfachende Annahmen) die mathematischen Gleichungen sind nur näherungsweise lösbar das Fehlerwachstum dazu führt, dass die Vorhersagbarkeit nur wenige Stunden (für Gewitterwolken) bis wenige Tage (für Hoch- und Tiefdruckgebiete) beträgt Kleinste Unsicherheiten (am Beginn) wachsen mit zunehmender Vorhersagedauer rasch an Je länger eine Prognose in die Zukunft geht, desto unsicherer

48 Chaostheorie - Schmetterlingseffekt Kleinste Änderungen der Anfangsbedingungen bewirken ein exponentielles Anwachsen von Störungen (»deterministisches Chaos«) Vorhersagbarkeit: Kann der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien einen Tornado in Texas auslösen? (Edward Lorenz 1972) Lösung sensitiv auf Anfangsbedingungen (abhängig von der Strömung) Problem bei längerfristigen Prognosen prinzipielle Beschränkung der Prognosendauer! Ensembleprognosen: ganzes Bündel an Vorhersagen gerechnet daraus wahrscheinlichstes Wetter abgeleitet Folie 48

49 Folie 49

50 Ensemblekarten ( Spaghetti ) Folie 50

51 Mögliche Entwicklungen an einem Punkt Folie 51

52 Wahrscheinlichkeitskarten Folie 52

53 Aktuelle Ensembleprognose: Folie 53

54 15-Tage Trend Folie 54

55 Inhalt Wetterbeobachtungssysteme Folie 55 Kurzfristprognose - Warnungen Wettermodelle und ihre Grenzen (zeitlich / räumlich) Chaostheorie - der Schmetterlingseffekt Wetterinformationsquellen

56 Regionale Verteilung der ZAMG in den Bundesländern ZAMG Innsbruck Kundenservice Tirol und Vorarlberg 6020 Innsbruck, Fürstenweg 180 Tel: Fax: ZAMG Salzburg Kundenservice Salzburg und Oberösterreich 5020 Salzburg, Freisaalweg 16 Tel: Fax: ZAMG Wien Zentrale und Kundenservice Wien, Niederösterreich und Burgenland 1190 Wien, Hohe Warte 38 Tel: Fax: ZAMG Klagenfurt Kundenservice Kärnten 9020 Klagenfurt, Flughafen Tel: Fax: ZAMG Graz Kundenservice Steiermark 8053 Graz, Klusemannstraße 21 Tel: Fax:

57 Wettervorschau im Internet: Folie 57

58 Warnungen Folie 58

59 Warnschwellenwerte Folie 59

60 ZAMG Warnungen Schnee 1. Februar 2014 Folie 60

61 INCA Folie 61

62 Modellprognose (3 Tage) Folie 62

63 Klimainformationen Monatsrückblick - Klimadaten Folie 63

64 Wetterinformationen Internet - Homepage ZAMG (Prognosen, Warnungen, Klimadaten, aktuelle Wetterdaten,...) persönliche Wetterberatung Wetterwarnungen SMS, Fax, Mail Spezialprognosen

65 Winterdienstprognosen Wetterinformationen Unwetterwarnungen Folie 65

66 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 66

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