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Wettervorhersagemodelle berechnen den zukünftigen Zustand der Atmosphäre. MeteoSchweiz nutzt das numerische Wettervorhersagemodell COSMO (Consortium for Small-scale Modeling) für die Produktion von regionalen und lokalen Vorhersageprodukten im topographisch anspruchsvollen Alpenraum. Um für möglichst viele Anwendungen optimale Wahrscheinlichkeitsvorhersagen zur Verfügung stellen zu können, setzt MeteoSchweiz zwei verschiedene Ensemble-Konfigurationen von COSMO ein. Diese sind – zusammen mit den Vorhersagen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) - die Basis sowohl für die täglichen Wettervorhersagen der MeteoSchweiz, als auch für die Warnungen bei ausserordentlichen Wetterlagen, wie beispielsweise Sturm- oder Niederschlagsereignisse. COSMO-1E besteht aus einem achtmal täglich berechneten Ensemble. Die 11 Vorhersagen des Ensembles haben eine Maschenweite von 1.1 km. Für COSMO-2E werden viermal täglich 21 Vorhersagen als Ensemble berechnet. Diese haben eine Maschenweite von 2.2 km.
COSMO-Prognosesysteme
Numerische Wettervorhersage mit dem Wettervorhersagemodell COSMO
Wie sich das Wetter entwickelt, lässt sich dank komplexer Computermodelle simulieren. Ein numerisches Wettervorhersagemodell beschreibt die für die Wettervorhersage relevanten Prozesse, die in der Atmosphäre und an der Erdoberfläche stattfinden. Es basiert auf physikalischen Gesetzen wie Energieerhaltung, Massenerhaltung und Impulserhaltung, und simuliert Phänomene wie die Phasenübergänge von Wasser oder Strahlungsprozesse. Mit geeigneten Anfangs- und Randfeldern kann der zukünftige Zustand der Atmosphäre rechnerisch ermittelt werden. Auf diese Weise können viele atmosphärische Prozesse auf zeitlich und räumlich unterschiedlichen Skalen beschrieben werden (z.B. Entwicklung eines Tiefdruckgebietes, Föhn, Schneefall, Konvektion). Die Berechnungen erfolgen auf einem dreidimensionalen Gitter. Die vertikalen Abstände zwischen den Gitterpunkten sind in geringeren Höhen kleiner als in grossen Höhen, um bodennahe Phänomene besser beschreiben zu können. Die Berechnungen umfassen zudem die Entwicklung der Bodeneigenschaften, der Schneedecke und der Seetemperaturen.
MeteoSchweiz setzt verschiedene Konfigurationen des numerischen Wettervorhersagemodells COSMO ein und berechnet mehrmals täglich hochaufgelöste Wettervorhersagen für den Alpenraum. Das COSMO Modell wird in enger internationaler Zusammenarbeit weiterentwickelt. Alle Berechnungen der MeteoSchweiz erfolgen am Swiss National Supercomputing Centre (CSCS) in Lugano auf dem massiv-parallelen Supercomputer „Pigne d‘Arolla“.
COSMO-1E und COSMO-2E: Wahrscheinlichkeitsvorhersagen für den Alpenraum
Die auf dem COSMO-Modell basierenden Vorhersagesysteme COSMO-1E und COSMO-2E berechnen die zukünftige Entwicklung des Zustands der Atmosphäre für den gesamten Alpenbogen, mit der Schweiz im Zentrum des Modellgebiets. Die Modelle werden als Ensembles gerechnet – das bedeutet, dass verschiedene Realisationen einer Vorhersage erstellt werden, die den möglichen zukünftigen Zustand der Atmosphäre abbilden. Dies ermöglicht es, die wahrscheinlichste Entwicklung des zukünftigen Wetters abzuleiten und die Eintretenswahrscheinlichkeit für bestimmte Wetterereignisse anzugeben. Zudem lässt sich die Qualität von kurz- bis mittelfristigen Vorhersagen, besonders bei extremen oder sehr lokalen Wetterereignissen, gegenüber einer einzelnen Vorhersage verbessern, und die Vertrauenswürdigkeit der Prognose kann abgeschätzt werden.
Im Vergleich zum grobmaschigen globalen Modell IFS ENS des EZMW mit einer Maschenweite von ca. 20 km haben COSMO-1E und COSMO-2E mit Maschenweiten von 1.1 km und 2.2 km eine hohe räumliche Auflösung. So können bessere Wahrscheinlichkeitsvorhersagen für die Schweiz mit ihrer kleinräumigen und komplexen Topographie erstellt werden, insbesondere für extreme Ereignisse wie Stürme oder Starkniederschläge.
Die Randbedingungen, also die Wetter-relevanten Informationen ausserhalb des Modellgebiets, erhalten die beiden Ensemblesysteme vom globalen Ensemblesystem IFS ENS. Die Anfangszustände der Vorhersage, die sogenannten Analysen, werden unter Einbezug von Messdaten mit Hilfe eines Ensemble-Datenassimilationssystems ermittelt. Dieses Vorgehen erlaubt die Bestimmung eines in sich konsistenten, optimalen Ensembles von atmosphärischen Zuständen.
Warum rechnen wir Ensembles?
Kleine Ungenauigkeiten im Erfassen des aktuellen Zustandes der Atmosphäre können grosse Auswirkungen auf den Verlauf von Wettervorhersagen haben. Auch die für den Antrieb von COSMO-1E und COSMO-2E verwendeten Randfelder des globalen Modells, dem IFS ENS des EZMW, sind fehlerbehaftet und führen zu Unsicherheiten in der regionalen Vorhersage. Schliesslich ist auch das Modell selber aus verschiedensten Gründen nicht perfekt, was ebenfalls in Vorhersageunsicherheiten resultiert.
Das Ziel von Ensemble- oder Wahrscheinlichkeitsvorhersagen ist es, alle diese Unsicherheiten möglichst gut zu berücksichtigen und abzubilden. Dazu werden viele Vorhersagen mit leicht unterschiedlichen Anfangs- und Randbedingungen, sowie unterschiedlichen stochastischen Modellstörungen gerechnet. Aus dieser Schar von gleich wahrscheinlichen Vorhersagen, die man auch Ensemble-Member nennt, kann dann eine Eintretenswahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Ereignis berechnet werden. Die Streuung des Ensembles liefert zudem ein Mass für die Vorhersagbarkeit der Wetterlage, womit sich die Vertrauenswürdigkeit der Prognose abschätzen lässt.
Spezifikationen
Das hoch aufgelöste Ensemble Vorhersagesystem COSMO-1E mit 11 Ensemble-Membern wird achtmal täglich mit einer horizontalen Maschenweite von 1.1 km gerechnet. Alle 3 Stunden (00, 03, … 21 UTC) wird die Entwicklung des Wetters für eine Vorhersagezeit bis 33 Stunden neu berechnet. Der Modell-Lauf, der um 03 UTC startet, hat eine verlängerte Vorhersagezeit (bis 45 Stunden), so dass die Vorhersage den gesamten Folgetag abdeckt. Das Modellgebiet von COSMO-1E erstreckt sich horizontal über 1075 x 691 Gitterpunkte. Es deckt den gesamten Alpenbogen ab, mit der Schweiz im Zentrum des Modellgebiets. Vertikal verfügt COSMO-1E über 80 Schichten, die bis in eine Höhe von 22 km reichen. Die Modelltopographie erreicht an ihrem höchsten Punkt 4268 m ü. M. Für jeden der insgesamt 73‘569‘600 Gitterpunkte wird das Wetter in Schritten von 10 Sekunden vorausberechnet.
COSMO-2E, das Ensemble Vorhersagesystem mit der längeren Vorhersagezeit von 5 Tagen, besteht aus 21 Ensemble-Membern und wird viermal täglich (00, 06, 12 und 18 UTC) mit einer horizontalen Maschenweite von 2.2 km gerechnet.
Das Modellgebiet mit 538 x 346 Gitterpunkten deckt ebenfalls den gesamten Alpenbogen ab. Vertikal rechnet COSMO-2E mit 60 Schichten bis in 22 km Höhe. Die Vorhersage für die 13‘618‘800 Gitterpunkte wird mit einem Zeitschritt von 20 Sekunden berechnet.
Vorhersageprodukte können für beide Modelle innerhalb dieser Eckpunkte bezogen werden:
- NW-Ecke 49.52° N, 0.16° E;
- NO-Ecke 49.73° N, 16.75° E;
- SW-Ecke 42.67° N, 1.33° E;
- SO-Ecke 42.85° N, 15.94° E.
Das entspricht 1075 x 691 Gitterpunkte für COSMO-1E und 538 x 346 Gitterpunkte für COSMO-2E und enthält die gesamte Domain abzüglich eines kleinen Randes, der aufgrund von Randeffekten nicht nutzbar ist.
COSMO: erfolgreiche internationale Zusammenarbeit
Damit die Wetterprognosen in Zukunft noch präziser werden, entwickelt MeteoSchweiz das numerische Vorhersagemodell in internationaler Zusammenarbeit stetig weiter. Die nationalen Wetterdienste von Deutschland, Griechenland, Israel, Italien, Polen, Rumänien, Russland und der Schweiz arbeiten im Rahmen des Consortium for Small-scale Modeling (COSMO) eng zusammen. Dieses Konsortium wurde im Oktober 1998 gegründet mit dem Ziel, ein nicht-hydrostatisches, regionales atmosphärisches Modell zu entwickeln und stetig zu verbessern. Dieses Modell wird operationell und für Forschungszwecke genutzt.