Marcus Beyer

Marcus Beyer

Aufgrund der zeitlichen und räumlichen Auflösung ist die Vorhersage von Konvektion häufig ein schwieriges Unterfangen. Das gilt sowohl für die Vorhersagemodelle, als auch für die Meteorologen. Eine Verbesserung der Modelle und eine Erhöhung ihrer Auflösung führt zwar zu verbesserten Simulationen konvektiver Prozesse, kann aber die Problematik nicht endgültig lösen. Aufgrund

der hochgradigen Nichtlinearität konvektiver Prozesse werden Prognosen solch kleinskaliger Phänomene für den gleichen Zielort und Zieltermin immer voneinander abweichen. Es ist daher notwendig, die häufig deterministische Herangehensweise im Vorhersagedienst durch eine probabilistische zu ersetzen oder zumindest zu ergänzen.

 

Seit Mai 2012 betreibt der Deutsche Wetterdienst das hochaufgelöste COSMO-DE Ensemble (EPS) operationell. Dieses Vorhersagesystem basiert auf dem deterministischen und konvektionserlaubenden Modell COSMO-DE mit einer horizontalen Auflösung von 2.8 km. Ein neuer Modelllauf steht alle 3 h zur Verfügung (00 UTC, 03 UTC, … , 21 UTC) und hat eine Prognosezeit von 21 Stunden. Das COSMO-DE EPS besteht aktuell aus 20 Vorhersagen (Membern). Sie werden erzeugt, indem man Anfangswerte, Randbedingungen und die Modellphysik variiert. Die Randwerte kommen dabei von vier Globalmodellen: IFS (ECMWF, Europa), GME (DWD, Deutschland), GFS (NCEP, USA) und GSM (JMA, Japan).

Um die Vorteile der Nutzung von hochaufgelösten, konvektionserlaubenden Ensembles näher zu betrachten, werden im Vortrag zwei interessante Fallstudien vorgestellt – Die Lagen vom 23.05.2012 und vom 30.06.2012.

Am 23.Mai 2012 lag Westeuropa unter dem Einfluss eines Höhenrückens, während über dem Balkan ein Höhentief zu finden war. Deutschland befand sich zwischen diesen beiden Systemen unter einer gradientschwachen Höhenströmung. So betrugen die Windgeschwindigkeiten in 500 hPa zum Teil weniger als 5 kn. Dadurch war die Zuggeschwindigkeit der Konvektion gering und stark von ihrer Eigendynamik geprägt. Thermische Instabilität und Grenzschichtfeuchte resultierten in 1000 bis 2000 J/kg MLCAPE, das in den Nachmittagsstunden nahezu ungedeckelt verfügbar war. Aufgrund der schwachen vertikalen Windscherung, war von pulsierender Konvektion auszugehen, bei der Outflow Boundaries von sterbender Konvektion neue Gewitter auslösen konnten. Das Ergebnis waren stündliche Regensummen, die sich in den Radarprodukten zu mehr als 50 mm aufsummierten.

Die alleinige Verwendung des deterministischen 00 UTC-Lauf von COSMO-DE hätte nur wenige Hinweise für diese großen Regenmengen geliefert. Die Verwendung der 20 Member brachte aber deutliche Signale für die zu erwartenden, unwetterartigen Regenmengen. So lag zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit für mehr als 10 mm/h bei über 60 % und für mehr als 25 mm/h bei etwa 30 %.

Am 30.Juni 2012 lagen Zentraleuropa und damit auch Deutschland auf der Vorderseite eines Langwellentroges mit großer Amplitude. Damit war der Vorhersageraum durch kräftige Advektion von warmen und feuchten Luftmassen beeinflusst. Ein Mischungsverhältnis von 14 – 16 g/kg in Kombination mit hoher thermischer Instabilität resultierten in CAPE Werten von 2000 – 2500 J/kg. In der oft gedeckelten Atmosphäre bildeten sich in den Nachmittagsstunden einzelne, aber langlebige Superzellen, die Hagel bis 7 cm brachten. In den Abendstunden entwickelte sich schließlich über der Schweiz ein mesoskaliges System, dass in den Nachtstunden Deutschland von Südwest nach Nordost überquerte. Neben kräftigem Regen, waren es vor allem der Hagel und schwere Windböen bis hin zu Orkanstärke, die dieses MCS-Event kennzeichneten. Das deterministische Modell von 06 UTC lieferte zwar Hinweise auf stärkeren Wind, die prognostizierte Intensität und räumliche Verteilung war aber eher unbefriedigend. Beim Blick auf die Maxima in der Ensemble-Vorhersage war die Möglichkeit für Orkanböen hingegen durchaus gegeben. Mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsprodukte war es zudem möglich die für das Warnwesen interessanten Gebiete herauszufiltern. So zeigten sich erhöhte Wahrscheinlichkeiten für mehr als Bft 10 in den Gebieten, in denen diese auch tatsächlich auftraten.

Die beiden Fallstudien illustrieren, wie mit Hilfe von Ensembleprognosen der Meteorologe eine zusätzliche Unterstützung bei der Vorhersage bekommt und ihn für die warntechnisch interessanten Gebiete sensibilisiert. Das COSMO-DE EPS wurde unter dem Gesichtspunkt der Vorhersage von konvektiven Starkniederschlägen entwickelt. Die Verifikationsergebnisse der Sommersaison 2012 für stündliche Niederschläge zeigen auch im statistischen Sinne einen deutlichen Mehrwert des EPS gegenüber der deterministischen Herangehensweise und einen Anstieg der Vorhersagequalität insbesondere für extreme Ereignisse. Dies gilt mit Einschränkungen auch für die Windvorhersage.

Zukünftig soll das COSMO-DE EPS weiter verbessert werden und auch auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien zum Einsatz kommen. Zudem sollen die Anzahl der Mitglieder auf 40 erweitert und die Vorhersagezeit verlängert werden.

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