VL Klimasysteme 09 Mai Wettersysteme: ihre Bedeutung und Vorhersage. Heini Wernli. Gruppe Atmospheric Dynamics

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1 VL Klimasysteme 09 Mai 2018 Wettersysteme: ihre Bedeutung und Vorhersage Heini Wernli Gruppe Atmospheric Dynamics

2 Was sind Wettersysteme? Zyklone = Tiefdruckgebiet Blocking = Hochdruckgebiet Front Konvektion, Gewitter Föhn

3 Die Bedeutung von Wettersystemen Sie bestimmen unser tägliches Wetter: Hochdruck im Sommer = sonnig, warm, Gewitter Hochdruck im Winter = kalt, Hochnebel Tiefdruck = Wind/Sturm, Niederschlag Föhn = Stauniederschlag / warm, sonnig, windig Extremereignisse sind mit spezifischen Wettersystemen verbunden Wettersysteme sind sehr variabel (Lebensdauer, Zugbahn) und oft schwer vorhersagbar.

4 Fallstudie 1: Das 2015/16 Warmereignis in der Arktis 30. Dezember 2015 in Spitzbergen: T = 8.7 degc > Durchschnitts-T im Juli

5 Fallstudie 1: Das 2015/16 Warmereignis in der Arktis T in Spitzbergen mehr als 12 deg C wärmer als normal

6 Wie kommt warme Luft in die Arktis? Rückwärtstrajektorien zeigen Transport von Luft - aus der Sahara in Bodennähe - aus Kanada mit Abstieg von 500 hpa

7 Wie kommt warme Luft in die Arktis? Starker W-E Druckgradient durch Tief- und Hochdruckgebiete L L H L L

8 Fallstudie 2: Die Juni 2013 Flut (Donau, Elbe) Zyklonenzugbahnen Falschherum aufsteigende warm conveyor belts (WCBs)

9 Starkniederschlag und Zyklonenzugbahnen GPCC 31 May- 3 June 2013 accumulated precipitation (mm) GPCC 31 May- 3 June 2013 fraction of May precipitation (mm)

10 Synoptic evolution 12 UTC 31 May 2013 MSG Seviri VIS WCB precipitation last 24h

11 Synoptic evolution 12 UTC 1 June 2013 MSG Seviri VIS WCB precipitation last 24h

12 Synoptic evolution 12 UTC 2 June 2013 MSG Seviri VIS WCB precipitation last 24h

13 Synoptic evolution 12 UTC 3 June 2013 MSG Seviri VIS WCB precipitation last 24h

14 Falschherum aufsteigender WCB

15 Wie gut sind numerische Wettervorhersagemodelle? Können Sie (starke) Niederschläge richtig vorhersagen? Warum manchmal nicht? Wie gross sind die Unsicherheiten?

16 Beispiel: Niederschlags-Vorhersage für den Montag 30 April (05-06 UTC) Radar 72-h Prognose

17 Beispiel: Niederschlags-Vorhersage für den Montag 30 April (05-06 UTC) Radar 48-h Prognose

18 Die Basis der Wettervorhersage Die Strömungen der Atmosphäre gehorchen physikalischen Gesetzen Diese Gesetze sind bekannt und können mathematisch formuliert werden Das resultierende Gleichungssystem ist (näherungsweise) numerisch lösbar Die Lösung kann schneller berechnet werden als das tatsächliche Wetter fortschreitet

19 Vilhelm Bjerknes 1904 Wettervorhersage als Anfangswertproblem auf Basis der physikalischen Gleichungen Wettervorhersage wird eine physikalische Wissenschaft

20 Wettervorhersage als Anfangswertproblem Zeit Anfangs- Bedingung: ~10 8 Freiheitsgrade! (viele Variablen auf sehr vielen Gitterpunkten) physikalische Gesetze Vorhersage

21 Bewegungsgleichung (x-komponente) nichtlineare Advektion Parametrisierungen

22 Numerik Wie lösen wir die Strömungsgleichungen? D.h. wie integrieren wir die Bewegungsgleichungen in der Zeit vorwärts? Numerik auf einem Gitter! Diskretisierung der Atmosphäre durch Gitterpunkte Approximation der Differential- durch Differenzengleichungen

23 Charney, Fjortoft, von Neumann 1950 Erste numerische Wettervorhersage auf dem ENIAC Stark vereinfachte Gleichungen (barotropic vorticity equations) Rechenzeit 24 Stunden für Vorhersagezeit von 24 Stunden Erste operationelle numerische Wettervorhersage 1954 Schweden 1955 USA

24 Edward Lorenz 1973 Die Atmosphäre als chaotisches System Chaos: Kleine Fehler in den Anfangsbedingungen führen zu grossen Fehlern in den Vorhersagen!

25 Anfangsbedingungen Bestmögliche Schätzung des aktuellen 3-dimensionalen Zustands der Atmosphäre, sogenannte Analyse T, p, u, v, w, q (+ ev. Wolkenwasser,...) an jedem Gitterpunkt des Modells... Für ein globales Modell mit 0.5 Auflösung und 90 vertikalen Schichten ergibt dies 6 (Parameter) x 720 x 360 x 90 = 1.4 x 10 8 Werte! Diese Analysen werden mit aufwändigen mathematischen Techniken der Datenassimilation erstellt, in Kombination von Beobachtungen und einer Kurzfristprognose Dennoch sind Analysen = Anfangsbedingungen nie perfekt!

26 7 Kugeln auf einer Buckelpiste als Illustration für chaotisches Verhalten: 1mm starke Sensitivität bezüglich den Anfangsbedingungen warm, trocken 15m kalt, nass

27 Ensemble Vorhersage von COSMO-E des Niederschlags in der Schweiz am 11 Juni 2014 from: Christina Klasa

28 Atmospheric Dynamics... Fokus auf Wettersysteme und damit auf Zeiträume von Stunden (Gewitter), Tage (Zyklonen) bis wenige Wochen (Blocking) Grundlage für theoretische Konzept und Vorhersage Detaillierte Untersuchung der physikalischen Gesetze und komplexen Zusammenhänge Natur bietet sehr grosse Vielfalt! (ein Typus von Wettersystem kann auf X Arten entstehen) Vorhersage ist anspruchsvoll wegen Komplexität, Diversität und Nichtlinearität (Chaos)