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1 Wetter-Interpretation für die Modelle und COSMO-DE (Version vom ) 1. Einleitende Bemerkungen Im Referat FE15 des Deutschen Wetterdienstes wurde ab Mitte der 90er Jahre mit fachlicher Unterstützung durch Matthias Jaeneke (damals BTZ Langen) eine neue Wetter- Interpretation (WI) entwickelt. Die WI baute auf den seinerzeit vorhandenen Ansätzen auf und benutzte als Entwicklungsrahmen die damaligen Routine-Modelle EM und DM. Nach relativ kurzem operationellem Einsatz in diesen Modellen wurde sie zunächst weitgehend unverändert auf die folgenden Modelle GME und LM übertragen, wobei allerdings wegen der globalen Anwendung im GME breitenabhängige Schwellwerte für den konvektiven Niederschlag eingeführt wurden. Die WI wurde seitdem in GME und COSMO-EU (vor 2007 als LME bzw. LM bezeichnet) operationell benutzt und nebenbei weiterentwickelt, letzteres vor allem im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Modelle selbst. Für das COSMO-DE (vor 2007 als LMK bezeichnet) wurde die WI des COSMO-EU soweit wie möglich übernommen, Änderungen waren aufgrund einiger nicht verfügbarer Größen wegen der fehlenden Parametrisierung für hochreichende Konvektion in der Schauer- und Gewitterinterpretation notwendig. Mit dem Ersatz des globalen GME durch ICON im Februar 2015 wurde für ICON die WI des COSMO-EU fast unverändert übernommen, lediglich die Schauerbedingung musste aufgrund des neuen Konvektionsschemas geringfügig angepasst werden. Das in ICON genestete ICON-EU, das zum 1. Dezember 2016 das COSMO-EU abgelöst hat, verwendet die gleiche WI wie das globale ICON wurden die bereits seit 2014 geänderten Schwellwerte der WMO für die Unterscheidung von leichtem, mäßigem und starkem Niederschlag in die Wetterinterpretation übernommen. Weitere Änderungen betrafen: - die bisher für leichten Niederschlag verwendeten Schlüsselzahlen - die Verwendung der WMO-Klassifikation auch für Sprühregen und gefrierenden Sprühregen - die Einführung von Schneegriesel - die Nebelinterpretation Mitteilungen über Erfahrungen mit den Interpretations-Ergebnissen und Vorschläge für Verbesserungen richten Sie bitte zuständigkeitshalber an Deutscher Wetterdienst Referat FE15 Vorhersagbarkeit und Verifikation Frankfurter Str. 135 D Offenbach am Main ulrich.pflueger@dwd.de, michael.buchhold@dwd.de

2 Der vorliegende Text beschreibt die diagnostizierten Wetterelemente (Kap. 2) und die dazu verwendeten Methoden (Kap. 3) Die folgende Zusammenstellung gibt zunächst einige im Text verwendete Abkürzungen und Definitionen wieder. Abkürzungen CL Bedeckungsgrad mit niedrigen Wolken CM Bedeckungsgrad mit mittelhohen Wolken CT Gesamt-Bedeckungsgrad CLC Bedeckungsgrad in den Modellschichten RF Relative Feuchte K Schichtindex im Modell KE Index der untersten Schicht KOI KO-Index (s.u.) NI Nebulae-Index nach M.Eckert (s.3.6) PBAS Druck an der Konvektionswolken-Untergrenze PTOP Druck an der Konvektionswolken-Obergrenze QW Flüssigwassergehalt RG Gesamt-Niederschlag RK konvektiver Niederschlag RL skaliger Niederschlag RR flüssiger Niederschlag RS fester Niederschlag T Temperatur T2M Temperatur in 2 m über Grund TD Taupunktstemperatur TS Erdoberflächentemperatur TTOP Temperatur an der Konvektionswolken-Obergrenze VB10M Betrag der Windgeschwindigkeit in 10 m über Grund Definitionen KOI = 0.5 ( θ ä (500 hpa) + θ ä (700 hpa) θ ä (850 hpa) θ ä (950 hpa) ) mit: θ ä = äquivalent potentielle Temperatur Spezifikation Die Indizes werden in den Programmen tatsächlich aus Werten der Modellvariablen auf Modellflächen bestimmt. Konkret werden statt der Werte von den Druckflächen mit p = (500, 700, 850, 950 hpa) die Werte der Modellfläche genommen, die der jeweiligen Druckfläche über einem Meergitterpunkt (also für h Topo = 0) am nächsten liegt.

3 2. Diagnostizierte Wetterelemente Aus den Vorhersageergebnissen in den Modell-Datenbanken wird im Abstand 1 h an jedem Modell-Gitterpunkt das vorhergesagte Wetter diagnostiziert und durch eine Schlüsselziffer ausgedrückt. Sie soll inhaltlich das Wetter der vorangehenden Stunde bis einschließlich zum Termin wiedergeben und wird in einem verkürzten ausgedrückt. Verwendete Schlüsselziffern und ihre Bedeutung sind: Signifikantes Wetter ww = 45 Nebel ww = 48 Nebel mit Reifbildung ww = 51 leichter Sprühregen ww = 53 mäßiger Sprühregen ww = 55 starker Sprühregen ww = 56 leichter Sprühregen, gefrierend ww = 57 Mäßiger oder starker Sprühregen, gefrierend ww = 61 leichter Regen ww = 63 mäßiger Regen ww = 65 starker Regen ww = 66 leichter Regen, gefrierend ww = 67 mäßiger oder starker Regen, gefrierend ww = 71 leichter Schneefall ww = 73 mäßiger Schneefall ww = 75 starker Schneefall ww = 77 Schneegriesel ww = 80 leichter Regenschauer ww = 81 mäßiger oder starker Regenschauer ww = 82 sehr starker Regenschauer ww = 85 leichter Schneeschauer ww = 86 mäßiger oder starker Schneeschauer ww = 95 leichtes oder mäßiges Gewitter ohne Graupel oder Hagel ww = 96 starkes Gewitter ohne Graupel oder Hagel, Gewitter mit Graupel oder Hagel (leicht oder mäßig, nur bei COSMO-DE) ww = 99 starkes Gewitter mit Graupel oder Hagel (nur bei COSMO-DE) Kein signifikantes Wetter An Punkten ohne signifikantes Wetter wird der Gesamt-Bedeckungsgrad verschlüsselt als ww = 0 Wolkenlos 0 % <= CT <= 6.25 % ww = 1 leicht bewölkt 6.25 % < CT <= % ww = 2 Wolkig % < CT <= % ww = 3 stark bewölkt bis bedeckt % < CT <= 100

4 3. Methoden Die Wetter-Interpretation erfolgt mit Hilfe der in den Vorhersage-Datenbanken vorhandenen Elemente. Eine grundlegende Schwierigkeit besteht darin, dass die Niederschlagskomponenten Summen über ein dem jeweiligen Termin vorangehendes einstündiges Intervall darstellen, die meisten anderen Größen aber nur als Augenblickswerte vom Termin vorliegen. Dies bedingt einerseits einige Besonderheiten der Interpretation, um Inkonsistenzen oder Fehl-Interpretationen zu vermeiden. Andererseits beeinträchtigt es natürlich auch die mögliche Qualität der Interpretation, indem z.b. Nebel, der nur im vorangehenden Intervall aber nicht mehr zum Termin auftritt, auch bei exakter Modell- Vorhersage nicht erfassbar wäre. Bei der folgenden Darstellung ist generell zu bedenken, dass beim Umgang mit reellen Zahlen in Rechnergenauigkeit Bedingungen mit <= oder < bzw. mit >= oder > i. Allg. praktisch gleichwertig sind, da das genaue Treffen eines Grenzwertes (z.b. einer Temperatur von 5 C) sehr unwahrscheinlich ist. Bedingungen, die nur für gelten sind blau, solche die nur für COSMO-DE gelten sind rot unterlegt, nicht farblich unterlegte Bedingungen gelten sowohl für ICON/EU als auch COSMO-DE.

5 Wetter mit Niederschlag - RG>= mm/h 3.1 Gewitter. - KOI < 1 - PBAS-PTOP >400 hpa - TTOP < -25ºC - RK >0.75 mm/h dann leichtes oder mäßiges Gewitter ww = 95 Gelten darüber hinaus folgende verschärfte Bedingungen: - KOI < -6 - TTOP < -45ºC - RK >2.0 mm/h dann starkes Gewitter (oder Gewitter mit Graupel/Hagel) ww = 96 COSMO-DE - KOI < 1 - Mai August: RG > 0.4 mm/h - März April: RG > 0.8 mm/h - September Februar: RG > 2.0 mm/h dann leichtes oder mäßiges Gewitter ww = 95 gilt zusätzlich eine der folgenden drei Bedingungen: - RG > 10 mm/h - VMAX10M > 18 m/s - MAXGRAU > 10-3 (stellvertretend für Auftreten von Hagel) dann leichtes oder mäßiges Gewitter mit Graupel/Hagel ww = 96 gilt zusätzlich eine der folgenden drei Bedingungen: - RG > 25 mm/h - VMAX10M > 29 m/s - MAXGRAU > 5*10-3 (stellvertretend für Hagel mit Durchmesser > 1 cm) dann starkes Gewitter mit Graupel/Hagel ww = 99

6 Wetter mit Niederschlag - RG>= mm/h 3.2 Schauer a) Schauer-Bedingung - RK > RL COSMO-DE - KOI < 6 - CM < % in einer 5x5 Umgebung Regenschauer b) Regen-Bedingungen, zusätzlich zu a) - RR >= RS oder T2M >5ºC - T2M >= -10ºC - Zusatz-Bedingung für Regen/Regenschauer erfüllt (s. 3.8) c) Bedingung für gefrierenden Niederschlag - T2M < -0.1ºC oder TS < -0.1ºC Gelten a) und b), aber nicht c), dann: Intensitäten: - RG <= 0.2mm/h dann weiter bei Nebel, siehe 3.7 ansonst - RG < 0.05 mm/h dann weiter bei Nebel (siehe 3.7) mm/h <= RG <= 2.5 mm/h dann leichter Regenschauer mm/h < RG <= 20 mm/h dann mäßiger oder starker Regenschauer - RG > 20 mm/h dann sehr starker Regenschauer Gelten a) bis c), dann: Intensitäten: - RG <= 0.2mm/h dann weiter bei Nebel (siehe 3.7) ansonst - RG < 0.05 mm/h dann weiter bei Nebel (siehe 3.7) mm/h <= RG <= 2.5 mm/h dann leichter Regen, gefrierend - RG > 2.5 mm/h dann mäßiger oder starker Regen, gefrierend ww = 80 ww = 81 ww = 82 ww = 66 ww = 67

7 3.2.2 Schneeschauer d) Schnee-Bedingungen, zusätzlich zu a) - RS> RR und T2M <= 5ºC oder - T2M < -10ºC oder - Zusatz-Bedingung für Regen/Regenschauer nicht erfüllt (s. 3.8) Intensitäten: - RG < 0.05 mm/h dann weiter bei Nebel (siehe 3.7) - RG <= 1.00 mm/h dann leichter Schneeschauer - RG > 1.00 mm/h dann mäßiger oder starker Schneeschauer ww = 85 ww = 86

8 Wetter mit Niederschlag - RG >= mm/h 3.3 Regen a) Bedingung für skaligen Niederschlag - RL >= RK COSMO-DE - KOI >= 6 oder - CM >= % in einer 5x5 GP-Umgebung b) Regen-Bedingungen, zusätzlich zu a) - RR >= RS oder T2M >5ºC - T2M >= -10ºC - Zusatz-Bedingung für Regen/Regenschauer erfüllt (s. 3.9) c) Bedingungen für Sprühregen (s. 3.5) nicht erfüllt d) Bedingung für gefrierenden Niederschlag - T2M < -0.1ºC oder TS < -0.1ºC Gelten a) bis c), aber nicht d), dann: Intensitäten: - RG < 0.05 mm/h dann weiter bei Nebel (siehe 3.7) mm/h <= RG <= 2.5 mm/h dann leichter Regen mm/h < RG <= 10 mm/h dann mäßiger Regen - RG > 10 mm/h dann starker Regen Gelten a) bis c) und d), dann: Intensitäten - RG <= 2.5 mm/h dann leichter Regen, gefrierend - RG > 2.5 mm/h dann mäßiger oder starker Regen, gefrierend ww = 61 ww = 63 ww = 65 ww = 66 ww = 67

9 Wetter mit Niederschlag - RG>= mm/h 3.4 Schneefall a) Bedingung für skaligen Niederschlag - RL >= RK COSMO-DE - KOI >= 6 oder - CM >= % in einer 5x5 Umgebung b) Schnee-Bedingungen, zusätzlich zu a) - RS > RR und T2M <= 5ºC oder - T2M < -10ºC oder - Zusatz-Bedingung für Regen/Regenschauer nicht erfüllt (s. 3.9) Intensitäten: - RG < 0.05 mm/h dann weiter bei Nebel (siehe 3.7) mm/h <= RG <= 1.00 mm/h dann leichter Schneefall mm/h < RG <= 5 mm/h dann mäßiger Schneefall - RG > 5 mm/h dann starker Schneefall ww = 71 ww = 73 ww = 75

10 Wetter mit Niederschlag - RG>= mm/h 3.5 Sprühregen a) Bedingung für skaligen Niederschlag - RL >= RK COSMO-DE - KOI >= 6 oder - CM >= % in einer 5x5 Umgebung b) Regen-Bedingungen, zusätzlich zu a) - RR >= RS oder T2M >5ºC - T2M >= -10ºC c) Bedingungen für Sprühregen/Schneegriesel - CM < 95 % - QW(K) > 0 in den untersten 50 hpa der Atmosphäre. Konkret wird über einem Meergitterpunkt (also für htopo = 0) die Modellfläche bestimmt, die oberhalb von p am Boden + 50 hpa liegt. Sodann werden im gesamten Modellgebiet alle Modellflächen ausgewertet, die unterhalb dieser Modellfläche liegen. d) Bedingung für gefrierenden Niederschlag - T2M < -0.1ºC oder TS < -0.1ºC e) Zusatzbedingung für gefrierenden Sprühregen (s. 3.9) Gelten a) bis c), aber nicht d): dann leichter Sprühregen mm/h <= RG <= 0.1 mm/h dann leichter Sprühregen mm/h < RG <= 0.5 mm/h dann mäßiger Sprühregen - RG > 0.5 mm/h dann starker Sprühregen Gelten a) bis c) und d), aber nicht e): dann Schneegriesel gilt auch e): - RG <= 0.1 mm/h dann leichter Sprühregen, gefrierend - RG > 0.1 mm/h dann mäßiger/starker Sprühregen, gefrierend ww = 51 ww = 53 ww = 55 ww = 77 ww = 56 ww = 57

11 Wetter mit Niederschlag - RG>= mm/h 3.6 Schneegriesel a) Bedingung für skaligen Niederschlag - RL >= RK COSMO-DE - KOI >= 6 oder - CM >= % in einer 5x5 Umgebung b) Schnee-Bedingungen, zusätzlich zu a) - RS > RR und T2M <= 5ºC oder - T2M < -10ºC c) Bedingungen für Sprühregen/Schneegriesel - CM < 95 % - QW(K) > 0 in den untersten 50 hpa der Atmosphäre. Konkret wird über einem Meergitterpunkt (also für htopo = 0) die Modellfläche bestimmt, die oberhalb von p am Boden + 50 hpa liegt. Sodann werden im gesamten Modellgebiet alle Modellflächen ausgewertet, die unterhalb dieser Modellfläche liegen. Gelten a) bis c): dann Schneegriesel ww = 77

12 Wetter ohne Niederschlag - RG < mm/h 3.7 Nebel Es wird der von M.Eckert (WV2) entwickelte Nebulae-Index (NI) verwendet: NI = (T2m - TBL) + (T2m - TdBL) + WBL mit: T2m[ C]: 2m-Temperatur TBL,TdBL[ C]: Maximalwerte von Temperatur bzw. Taupunkt in der Grundschicht bis 100 hpa über Grund. WBL[kt]: mittlere Windgeschwindigkeit in der Grundschicht bis 35 hpa über Grund (Bestimmung analog zur Modellfäche 50 hpa ü. Grund) Nebel-Bedingungen: - NI < 5 - RF(KE) oder RF(KE-1) >= 95 % oder - CLC(KE) oder CLC(KE-1) >= 99 % dann Nebel ww = 45 Gilt zusätzlich: - T2M < -1ºC oder TS < -1ºC - VB10M > 1.5 m/s dann Nebel mit Reifbildung ww = 48 Bedingungen Wetter ohne Niederschlag - RG < mm/h 3.8 Kein signifikantes Wetter wenn Nebel-Bedingungen (s. 3.7) nicht erfüllt so wird der Gesamt-Bedeckungsgrad verschlüsselt - 0 % <= CT <= 6.25 % dann wolkenlos % < CT <= % dann leicht bewölkt % < CT <= % dann wolkig % < CT <= 100 % dann stark bewölkt bis bedeckt ww = 0 ww = 1 ww = 2 ww = 3 (Soweit nach dieser Beschreibung mehrere Spezifikationen für ww möglich wären, wird die mit der höchsten Ziffer gewählt.)

13 3.9 Zusatz-Bedingungen für flüssigen Niederschlag Es werden Zusatz-Bedingungen für flüssigen Niederschlag verwendet; sind sie nicht erfüllt, so wird auch dann Schnee diagnostiziert, wenn im Modell RR > RS ist. Die Bedingungen werden generell im Zusammenhang mit der Diagnose von gefrierendem Niederschlag benutzt (d.h. in Fällen, wo die Gefrier-Bedingung d) in 3.4 bzw. 3.5 erfüllt ist). Bei Regen und Regenschauer (nicht Sprühregen) erfolgt darüber hinaus ggf. eine Phasenumkehr auch bei leicht positiven Werten von T2M. Zusatz-Bedingung für gefrierenden Sprühregen Sei KUG der Index der untersten Schicht mit QW(K) > 0, so wird gefordert: T(KUG) > -3 C und, falls KUG < KE, Summe [T(K) * Delta p(k)] > -20 [ C*hPa], summiert über K = KUG+1 bis KE, oder T(KE) > 0 C Zusatz-Bedingung für Regen/Regenschauer Falls gilt: T2M < 0.5 C oder TS < -0.1 C so wird gefordert: Summe [T(K) * Delta p(k)] > 100 [ C*hPa], summiert nur über positive Beiträge für K = K 500 bis KE, (K 500 : Index der Schicht, die etwa in 500 hpa über einem Meergitterpunkt (h Topo = 0) liegt)