Grundlagen der numerischen Wettervorhersage und der Klimamodellierung

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1 Grundlagen der numerischen Wettervorhersage und der Klimamodellierung Universität für Bodenkultur, Wien Institut für Meteorologie (BOKU-Met) Herbert Formayer BauSIM 2010

2 Vortragsaufbau: Historischer Rückblick zur Modellierung in der Meteorologie Grundlagen der nummerischen Wettervorhersage Besonderheiten der Klimamodellierung

3 Historischer Rückblick 1916 (1922): Lewis F. Richardson Weather Prediction by Arithmetical Finite Differences. Basis für die numerische Integration von Differenzialgleichungen. (Richardson Extrapolation) Schätzung, dass mit menschlichen Rechnern (Computer), die Berechnungen schnell genug sein müssten, um eine Wettervorhersage durchführen zu können.

4 Historischer Rückblick Richardsons Rechenfabrik Quelle:! J. Wensch, 2010!

5 Historischer Rückblick 1946: Wettervorhersage mit Elektronenrechner 1950: Qualitativ korrekte Vorhersage für 24 Stunden. Rechenzeit: 24h (25000 Lochkarten)

6 Historischer Rückblick ENIAC Röhren. Aberdeen Maryland 1948 Quelle:! J. Wensch, 2010!

7 1962 USA, UK 1965 Historischer Rückblick Operative Modelle: 1966 Erstes Globalmodell, USA, 300 km Gitter, 6 vertikale Schichten Gründung des ECMWF (European Centre for Medium- Range Weather Forecasts) Tagesvorhersagen (200 km Gitter, 15 Schichten) Derzeit 16 km Gitter, 91 Schichten, Zeitschritt 12 min

8 Physikalische Prozesse Quelle:! DWD, 2008!

9 7 Zustandsgrößen Luftdruck Lufttemperatur Wind (dreidimensionaler Vektor) Luftfeuchtigkeit Dichte

10 7 Grundgleichungen Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltungssatz) 1. Hauptsatz der Wärmelehre (Energieerhaltungssatz) 3 Bewegungsgleichungen (x,y,z Richtung) Wasserdampfbilanzgleichung Gasgleichung

11 Quelle: Henderson Sellers, 2005!

12 Effekt der räumlichen Auflösung ~ 2,8 ~ 1,4 ~ 0,7 ~ 0,35

13 Räumliche Auflösung ECMWF global seit 2010 mit 16 km Auflösung Operationelles österreichisches Regionalmodell ALADIN 9,6 km Operationelle Schweizer Regionalmodellkaskade COSMO 7 km und 2 km

14 Quelle:Meteoswiss, 2010! Derzeit operative Regionalmodelle der Schweiz (oben) und Österreich (rechts) Quelle: ZAMG, 2010!

15 Quelle: DWD 2008!

16 Quelle: DWD 2008!

17 Explizit berechnete Prozesse Großräumige (synoptische) Wettersysteme In Regionalmodellen sogar lokale thermische Systeme (Berg/ Tal oder Land/Seewindzirkulation) Strahlungs- und Energiebilanz Orographische Effekte (je nach Auflösung)

18 Konvektion - Turbulenz Wolkenbildung Indirekte parametrisierte Prozesse

19 Effekt der Ausgangszustandes Wichtiger Faktor beim Lösen von mehrdimensionalen Differenzialgleichungen ist der Ausgangszustand eines Systems. Die Integration von Beobachtungsdaten (Datenassimilation) in die Ausgangsanalyse ist ein wesentlicher Bestandteil der numerischen Wettervorhersage.

20 Wetterstationen Quelle: DWD 2008!

21 Meeresbojen Quelle: DWD 2008!

22 Radiosonden Quelle: DWD 2008!

23 Flugzeugmeldungen Quelle: DWD 2008!

24 Polarumlaufende Satteliten Quelle: DWD 2008!

25 Geostationäre Satteliten Quelle: DWD 2008!

26 Übergang von Deterministischer- zu Ensemblevorhersage Nicht nur eine Modellintegration wird durchgeführt, sondern ein Ensemble (ECMWF 51, COSMO 10) Die Ensemblemodellläufe sind identisch bis auf die Anfangsbedingungen Diese werden im Rahmen der bestehenden Unsicherheiten variiert. Alle Ensembleläufe haben daher die selbe Wahrscheinlichkeit

27 Beispiel einer Ensemblevorhersage Links: Sattelitenbild vom 9. Juli 2002 Unten: Ensemblevorhersagen von 10 COSMO-De Modellen

28 Aktuelle Ensemblevorhersage für die Temperatur in Wien Quelle: GFS 2010!

29 Klimamodellierung Relevante Prozesse in Klimamodellen

30 Klimamodellierung Prozessabbildung in den Klimamodellen Röckner, 2005

31 Klimamodellierung Interne und externe Antriebskräfte und Zeitskalen Alterung der Sonne Land/Meer Verteilung Erdbahnparameter Milankovic Zyklus Atmosph. Zusammensetzung - natürlich anthropogen Reaktion der Kryosphäre Reaktion der Biosphäre Ozean Zirkulation > Mio a > Mio a ka > 10 ka; a a a a Interne Schwankungen e.g. ENSO/ NAO a

32 Klimamodellierung Klimamodelle müssen in der Lage sein, die beobachtete Entwicklung zu reproduzieren IPCC, 2007

33 Klimamodellierung Basis für Modellläufe für die Zukunft

34 Szenarien Treibhausgasemissionen Quelle:! The Copenhagen Diagnoses 2009! Quelle:! IPCC, 2007!

35 Resultierende Temperaturszenarien Quelle:! IPCC, 2007!

36 Problem Selbstverstärkung Quelle:! Lenton et al., 2008!

37 Arktisches Meereis Quelle:! The Copenhagen Diagnoses 2009!

38 Zusammenfassung Meteorologische Modellierung reicht zurück bis zum Anfang des 20. Jahrhundert. Im Gegensatz zu vielen anderen physikalischen Modellen werden in der Meteorologie sowohl diagnostische als auch prognostische Gleichungssysteme numerisch gelöst. Die Qualität der Wettervorhersage profitiert von den wachsenden Computerressourcen, aber noch mehr von der Zunahme der Beobachtungen durch remote sensing Systemen und hier vor allem Satteliten. Ensembleprognosen erlauben Aussagen über die Wahrscheinlichkeit von Wetterphänomenen.

39 Zusammenfassung Klimamodelle müssen wesentlich mehr Prozesse mitberechen, die bei der Wettervorhersage über die Beobachtungsdaten einfliesen. Bei Projektionen in die Zukunft müssen Annahmen über Änderungen (hauptsächlich Treibhausgaskonzentrationen) von außen vorgegeben werden. Da noch einige relevante Prozesse nicht explizit in Klimamodellen berücksichtig werden (z.b. Vegetation), können zu Kippeffekten derzeit nur unzureichende Informationen gewonnen werden.

40 Danke für Ihre Aufmerksamkeit