Unterprogramm ‚Tropfenwachstum` 10 m
Werbung
IWHW 2 Mai 2007 Konzepte meteorologischer Vorhersagemodelle am Beispiel von ECMWF und ALADIN T. Haiden Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) IWHW Wettermodelle 2 Mai 2007 Wettermodell = Strömungsmodell auf Kugeloberfläche Modellgleichungen physikalisch, nicht statistisch - Bewegungsgleichungen (Wind) - Thermodynamische Gleichungen (Strahlung, Temperatur) - Wasserbilanzgleichung (Niederschlag, Verdunstung) Gleichungen gekoppelt, nichtlinear, analytisch nicht lösbar numerische Näherungslösung auf Rechengitter IWHW Wettermodelle 2 Mai 2007 Globales Rechengitter x=25-40 km IWHW Wettermodelle 2 Mai 2007 Globales Rechengitter: vertikal z=50-500 m Höhe 50 Schichten, 800000 Gitterpunkte horizontal 40 Mio Gitterpunkte in 3D-Gitter IWHW Wettermodelle 2 Mai 2007 Grundprinzip der numerischen Wetterprognose +00 h Erhebung des dreidimensionalen Anfangszustandes der Atmospäre = Integrationsschritt (5-10 Minuten) Rechenzeit pro Schritt << Schritt! +24 h Prognose eines späteren dreidimensionalen Zustandes IWHW Integrationsschritt 2 Mai 2007 Beispiel Temperaturprognose: T T u ... t x Zeitl. Temperaturänderung = Windgeschwindigkeit x Temperaturgradient + ... T ( x, t t ) T ( x, t ) T ( x x, t ) T ( x, t ) u ( x, t ) ... t x Diskretisierung: Differentiale durch endliche Differenzen ersetzt IWHW Meteorologische ‚Scales‘ 2 Mai 2007 Turbulenz Tornados Superzellen Fronten Thermik Gewitter Squall-Lines Planetare Wellen Wolkenphysik 20 m 200 m 2 km 20 km 200 km 2000 km 20000 km Globale Modelle (ECMWF) Mesoskalige Modelle (ALADIN) IWHW Grundaufbau eines Wettermodells Modelldynamik Modellphysik 2 Mai 2007 Berechnung der Strömung (3-dimensionales Windfeld) Parametrisierte Prozesse (Strahlung, Wolken, Niederschlag) Teilweise empirisch, vereinfacht Prognosenunsicherheit IWHW Parametrisierte Prozesse Wenn explizite Modellierung auf Rechengitter nicht möglich: Start eines Unterprogramms, z.B. ‚Gewitterzelle‘ 2 Mai 2007 IWHW Parametrisierte Prozesse 2 Mai 2007 Unterprogramm ‚Reibung durch Topographie‘ Ansatz: statistische Behandlung der nicht durch das Rechengitter repräsentierten topographischen Strukturen IWHW Parametrisierte Prozesse 2 Mai 2007 Unterprogramm ‚Tropfenwachstum‘ 10 m Ansatz: analytische Integration über Tropfenspektrum IWHW Parametrisierte Prozesse 2 Mai 2007 IWHW Mesoskaliges Modell ALADIN 2 Mai 2007 ALADIN (ZAMG): 1300 x 1100 km, dx = 9.6 km, 37 Schichten IWHW Beispiel Niederschlagsprognose ECMWF Globales Modell 2 Mai 2007 ALADIN Mesoskaliges Modell IWHW Verifikation: Was können die Modelle? 2 Mai 2007 Mittl. Absolutfehler (C) Temperaturprognose Wien Hohe Warte, Winter 2003 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 00:00 06:00 12:00 18:00 1 2 3 4 5 6 7 Prognosetag 8 9 10 IWHW Verifikation: Was können die Modelle? 2 Mai 2007 Wr.Neustadt, 04.07. bis 06.07.2003 10 Modellprognose Windgeschwindigkeit [m/s] 9 Beobachtung 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 Zeit [h] Mehrstündige Tendenz wird erfasst, kurzzeitige Schwankungen (1-3 h) nicht IWHW Verifikation: Was können die Modelle? 2 Mai 2007 Niederschlagsprognose Raum Salzburg 35 r²=0.50 30 Prognose (mm/24h) 25 20 15 10 5 Korrelation r²=0.50 0 0 5 10 15 20 25 Beobachtung (mm/24h) 30 35 IWHW Prognose von Flächenniederschlägen Gebietseinteilung für hydrologische Zwecke (Wasserstands- und Durchflussprognosen) 2 Mai 2007 IWHW Prognose von Flächenniederschlägen 2 Mai 2007 Hochwasser August 2002 – 1. Ereignis Von Modellen unzureichend erfasst (zweites Niederschlagsmaximum!) IWHW Prognose von Flächenniederschlägen 2 Mai 2007 Hochwasser August 2002 – 2. Ereignis Von Modellen zufriedenstellend erfasst IWHW Prognose lokaler Gewitterniederschläge Modell Modell Radar Radar 2 Mai 2007 IWHW Der Schmetterlingseffekt 2 Mai 2007 Kleine Unterschiede im Anfangszustand führen zu beliebig großen Abweichungen zu einem späteren Zeitpunkt Problem aufgrund dämpfender Effekte in der realen Atmosphäre meist entschärft, aber: Von Fall zu Fall stark unterschiedliche Prognosegüte Ansatz: Ensembleprognosen = Vorhersage der Unsicherheit IWHW Der Schmetterlingseffekt 2 Mai 2007 Prognose der Höhenströmung für Freitag 3. März 2006 IWHW Der Schmetterlingseffekt 2 Mai 2007 Prognose der Höhenströmung für Dienstag 7. März 2006
