Wie kommt der Vorhersagemeteorologe zu einer schlüssigen Wettervorhersage?

Transkript

1 Mag. Thomas Turecek (ZAMG) Tel.: /2309 oder /2311 Fax: /73 thomas.turecek@zamg.ac.at Internet: Wie kommt der Vorhersagemeteorologe zu einer schlüssigen Pädagogische Fortbildung 27.Februar 2014

2 Folie 2 Kurzer Überblick der Präsentationsinhalte Geschichte der Wettervorhersage Ein kurzer Blick in die Vergangenheit Computertechnik Das UM und AUF für eine gute Wettervorhersage Schritte zur Wettervorhersage Erfassen des Ist-Zustandes der Atnosphäre Erarbeiten des zukünftigen Zustandes mittels Simulationsmodell Schlussfolgerungen des Meteorologen Wieso sind die Vorhersagen unsicher? Zusammenfassung

3 Folie 3 Ein Blick in die Vergangenheit 1592: Galileo Galilei - Thermometer 1643: Torricelli Barometer ( 1 Torr = 1 mmhg) 1648: Pascal Luftdruck nimmt mit der Höhe ab 1832/1833: Morsetelegraph Synopse Zusammenschau Synoptische Meteorologie

4 Folie 4 Synoptische Meteorologie S Y N O P T I K WETTERVORHERSAGE E N T W I C K L U N G Modelle Fernerkundung S Y N O P T I K

5 Folie 5 Computer sind unerlässlich für den Fortschritt Nichts geht in der Meteorologie ohne Computer. Der Fortschritt in der Wettervorhersage ist gekoppelt mit dem Entwicklungsstand in der Computertechnologie.

6 Folie 6 Moderne Supercomputer 2010 ~20 Million OPS/SEC 200 Mio Gitterpunkte Rechenleistung >250 Teraflops Rechenzeit: 1 Stunde (00z, 12z) >10 TB Daten / Tag

7 Folie 7 Schritte zur Wettervorhersage 1. Erfassen des IST-Zustandes der Atmosphäre (= numerische Analyse, heute kaum noch Handanalysen) Berechnen des Ist-Zustandes auf Gitterpunktsbasis 2. Erarbeiten des zukünftigen Zustandes mittels Simulationsmodell der Atmosphäre (= numerische Verfahren) Berechnen der zukünftigen Zustandes auf Gitterpunktsbasis 3. Schlussfolgerungen des Meteorologen Gewichtete Interpretation

8 Folie 8 Erfassen des IST-Zustandes der Atmosphäre

9 Folie 9 Messungen aus Österreich Wetterbeobachter SYNOP, TAWES Stationen Radiosondenaufstiege Satellitendaten Radardaten Blitzmeldungen

10 Folie 10 Wettersatelliten Polarumlaufend Geostationär = Fixe Position über dem Äquator

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

12 Folie 12 Ist-Zustand der Atmosphäre: Die Analyse Ziel: Physikalisch-konsistente Interpolation aller Daten auf das dreidimensionale Modellgitter. (dieser Schritt ist beinahe so kompliziert wie die eigentliche Vorhersage) Analyse

13 Folie 13 Schritte zur Wettervorhersage 1. Erfassen des IST-Zustandes der Atmosphäre (= numerische Analyse, heute kaum noch Handanalysen) Berechnen des Ist-Zustandes auf Gitterpunktsbasis 2. Erarbeiten des zukünftigen Zustandes mittels Simulationsmodell der Atmosphäre (= numerische Verfahren) Berechnen der zukünftigen Zustandes auf Gitterpunktsbasis 3. Schlussfolgerungen des Meteorologen Gewichtete Interpretation

14 Folie 14 Atmosphäre folgt physikalischen Gesetzen

15 Folie : Erste numerische Wettervorhersage 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 von Neumann 24 Stunden Rechenzeit für eine 24h Vorhersage

16 Folie 16 Erarbeiten des zukünftigen Zustandes Gemessene Werte Regelmäßiges Gitter Mathematische Berechnung

17 Folie 17 Physikalische Prozesse

18 Folie 18 Simulation der Atmosphäre Das Prognosenmodell umfasst physikalische Gleichungen. Sie beschreiben den zeitabhängigen Zusammenhang zwischen Luftdruck, Temperatur und Luftdichte, die Beziehungen zwischen Luftdichte und Änderung des Luftdrucks mit der Höhe, die Beziehung zwischen der Bodenreibung und dem Wind sowie den Einfluss der Sonne.

19 Folie 19 Simulation der Atmosphäre 1. Die Zustandsgleichung (für ideale Gase) beschreibt den diagnostischen Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Dichte. 2. Die hydrostatische Gleichung beschreibt, ebenfalls diagnostisch, die Beziehungen zwischen Luftdichte und der Änderung des Luftdrucks mit der Höhe. 3. Die Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltungssatz) beschreibt den Erhalt der (Luft-) Masse und ermöglicht die Bestimmung der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Bodendruckänderungen.

20 Folie 20 Simulationsmodell der Atmosphäre Ergebnisse räumlich und zeitlich auf Gitterpunkten

21 Folie 21 Schritte zur Wettervorhersage 1. Erfassen des IST-Zustandes der Atmosphäre (= numerische Analyse, heute kaum noch Handanalysen) Berechnen des Ist-Zustandes auf Gitterpunktsbasis 2. Erarbeiten des zukünftigen Zustandes mittels Simulationsmodell der Atmosphäre (= numerische Verfahren) Berechnen der zukünftigen Zustandes auf Gitterpunktsbasis 3. Schlussfolgerungen des Meteorologen Gewichtete Interpretation

22 Folie 22 Wie entsteht einer Blick aus dem Fenster Satelliten Wettermodelle Mittendrinnen der Meteorologe Wetterstationen Niederschlagsradar Graphische Aufbereitung meteorologischer Parameter

23 Folie 23 Wie entsteht einer 1.) die aktuelle Wettersituation ermitteln Umso besser die Basis um so besser die Vorhersage Wetterstationen für ganz Österreich Blick aus dem Fenster Ermitteln ständig an über 200 Stellen in Österreich: Temperatur, Wind, Feuchte, Druck, Regen usw.

24 Folie 24 Schlussfolgerungen des Meteorologen Gewichtete Interpretation

25 Folie 25 Das Wetter wird nicht gewürfelt!

26 Folie 26 Das Wetter ist im Grunde ein chaotischer Zustand

27 Folie 27 Wieso sind die Vorhersagen unsicher? 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

28 Folie 28 Zusammenfassung Wettervorhersage ist rechenintensiv Atmosphäre zeigt chaotisches Verhalten = Wettervorhersagen werden nie perfekt sein aber wir machen Fortschritte