Moderne Wettervorhersage Numerische Modelle in der Meteorologie. Alexander Beck. Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik

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1 Moderne Numerische Modelle in der Meteorologie Alexander Beck

2 Überblick Moderne 1. Okt 2011 Folie 2 Ein kurzer Blick in die Vergangenheit Beobachten und Messen Vorhersagemodelle in der Meteorologie Die Ensemblevorhersage

3 Ein Blick in die Vergangenheit Moderne 1. Okt 2011 Folie : Galileo Galilei - Thermometer 1643: Torricelli Barometer ( 1 Torr = 1 mmhg) 1648: Pascal Luftdruck nimmt mit der Höhe ab Puy de Dome 1832/1833: Morsetelegraph Synopse Zusammenschau Synoptische Meteorologie

4 Meteorologie ist international Moderne 1. Okt 2011 Folie 4 International Meteorological Organization ( ) 1951: Koordiniert Austausch der Daten, legt Standards fest,

5 Atmosphäre folgt physikalischen Gesetzen Moderne 1. Okt 2011 Folie 5

6 Beobachten und Messen 1. Okt 2011 Folie 6 Wetterhütten Radiosonden Wetterballon Wetterradar

7 TAWES Messstationen Wetterhütten 1. Okt 2011 Folie 7 10-minütige Daten von 250 Stationen

8 ... auch an exponierten Orten 1. Okt 2011 Folie 8 Observatorium am Hohen Sonnblick Höchste Station: Brunnenkogel Wetterradar auf der Valluga Galzig

9 Temperaturverteilung: 1. Oktober, 8 Uhr 1. Okt 2011 Folie 9

10 Beobachten und Messen 1. Okt 2011 Folie 10 Wetterhütten Radiosonden Wetterballon Wetterradar Satelliten (!)

11 Wettersatelliten 1. Okt 2011 Folie 11 Polarumlaufend Geostationär = Fixe Position über dem Äquator

12 1. Okt 2011 Folie 12 Kaltfront 18. September 2011 Polarumlaufender Satellit TERRA 13:41 MESZ 11:54 MESZ

13 Beobachtungssysteme: Anzahl der Messsdaten 1. Okt 2011 Folie 13 Millionen von (Satelliten)Daten Eine Aufgabe für den Computer

14 Vorhersagemodelle 1950: Erste numerische 18. Mai 2010 Folie 14 ENIAC Electronic Numerical Integrator and Computer to remark that the computation time for a 24-hour forecast was about 24 hours, we were just able to keep pace with the weather Fjörtoft 24 Stunden Rechenzeit für eine 24h Vorhersage von Neumann

15 Atmosphäre folgt physikalischen Gesetzen Moderne 1. Okt 2011 Folie 15

16 Numerische Modelle - Physikalische Prozesse Moderne 1. Okt 2011 Folie 16

17 Numerische Modelle - Modellgitter 1. Okt 2011 Folie 17

18 Ist-Zustand der Atmosphäre: Die Analyse 1. Okt 2011 Folie 18 Ziel: Physikalisch-konsistente Interpolation aller Daten auf das dreidimensionale Modellgitter. (dieser Schritt ist beinahe so kompliziert wie die eigentliche Vorhersage) To produce a regular, physically consistent, four-dimensional representation of the state of the atmosphere from a heterogeneous array of in-situ and remote instruments which sample imperfectly and irregularly in space and time. (Daley, 1991) Analyse

19 Supercomputer Moderne 1. Okt 2011 Folie ~20 Million OPS/SEC 200 Mio Gitterpunkte Rechenleistung >10GFLOPS Rechenzeit: ~4 Stunden 10 TB Daten / Tag

20 Globale Modelle (Gitterpunktsabstand: 20-50km) 1. Okt 2011 Druckverteilung, Wind in 200hPa Moderne Folie 20 in der Praxis

21 Downscaling Information auf kleine Skala bringen 1. Okt 2011 Folie 21 Ziel: Feinmaschiges Gitter im Alpenraum Globales Modell ~50km Raster Regionalmodell ~10km Raster Lokalmodell 1km Raster Beispiel: Temperatur-downscaling 50km 10km 1km Downscaling

22 Regionale Modelle an der ZAMG Moderne 1. Okt 2011 Folie 22 ALADIN/ALARO AROME-Austria + 72 h / 5km + 30 h / 2.5km Wetteranimation auf Hohe Auflösung auf räumlich begrenztem Gebiet

23 Wie gut sind die Vorhersagen? 1. Okt 2011 Vorhersagegüte: Geopotential in 500 hpa (~5000m Höhe) Nordhemisphäre Südhemisphäre Folie 23 Tag 3 Tag 5 Tag 7 Tag 10 Jahr

24 Niederschlagsvorhersage: Beispiel 2. Juni 2010 Moderne 1. Okt 2011 Folie 24

25 Das Analyse- und Nowcasting-System INCA 1. Okt 2011 Folie 25 Messdaten Radiosonde Modelldaten Geoinformation INCA Qualitätskontrolle, Interpolation Satellitendaten Radardaten Analysen und Kürzesfristvorhersagen

26 1. Okt 2011 Folie 26 Modellgebiet 600 x 350 km Höhenbereich m Auflösung Horizontal: 1 km Vertikal: 150 m Aktualisierung 5 min 1h Temperatur, Feuchte, Wind, Böen, Niederschlag, Bewölkung,

27 Temperaturvorhersage INCA ( ) 1. Okt 2011 Folie 27

28 INCA Niederschlagsanalyse 1. Okt 2011 Folie 28

29 1. Okt 2011 Folie 29 ENSEMBLEVORHERSAGE

30 Wieso sind die Vorhersagen manchmal unsicher? Moderne 1. Okt 2011 Folie 30 Atmosphäre zeigt chaotisches Verhalten Kleine Anfangsfehler führen zu komplett unterschiedlichen Vorhersagen! Fehler in den Messungen Näherungen in der Beschreibung der physikalischen Prozesse Diskretisierung (d.h. Darstellung auf endlichem Gitter) Vorhersagbarkeit hängt von der Wetterlage ab z.b. Stabiles Hochdruckwetter

31 z.b. Temperatur Moderne Schmetterlingseffekt 1. Okt 2011 Folie 31 Ed Lorenz ( ): Vater der Chaostheorie Vorhersagezeit ->

32 Die Ensemblevorhersage Moderne 1. Okt 2011 Folie 32 Idee: - Rechnen 50 (oder mehr) Vorhersagen statt einer einzigen! - Jede Vorhersage startet von leicht unterschiedlicher Analyse

33 Meteogramm: Wien/Hohe Warte 1. Okt 2011 Folie 33

34 Fazit 1. Okt 2011 Folie 34 Numerische ist rechenintensiv Atmosphäre zeigt chaotisches Verhalten = n werden nie perfekt sein aber wir machen Fortschritte Ensemblevorhersage erlaubt Aussagen über die (Un)Sicherheit der Prognose in der Praxis

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