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Was ist eine Ensemble-Vorhersage und wie entsteht sie?
MeteoSchweiz hat das Ensemble-Vorhersagesystem COSMO-E in Betrieb genommen. COSMO-E ist das erste eigene Ensemble-Vorhersagesystem der MeteoSchweiz und berechnet zweimal täglich 21 leicht unterschiedliche, aber gleich wahrscheinliche Vorhersagen für die nächsten fünf Tage. – Was genau aber ist eine Ensemble-Vorhersage und wie entsteht sie? Und wofür ist es nützlich, ein Ensemble von Vorhersagen zu berechnen?
Rechnet man mit einem Wettervorhersagemodell eine einzelne («deterministische») Vorhersage, so erhält man eine mögliche Entwicklung des zukünftigen Wetters. Über die Vertrauenswürdigkeit dieser Vorhersage erfährt man dabei allerdings nichts. Um die Unsicherheit einer Wettervorhersage abschätzen zu können, rechnet man deshalb eine ganze Schar von leicht unterschiedlichen (im Fachjargon: leicht «gestörten») Vorhersagen, das sogenannte «Ensemble», und erhält damit verschiedene mögliche Entwicklungen des Wetters. Aus diesen verschiedenen, gleich wahrscheinlichen Vorhersagen lässt sich sodann die Vertrauenswürdigkeit der Ensemble-Vorhersage sowie eine Wahrscheinlichkeitsvorhersage, auch «probabilistische» Vorhersage genannt, bestimmen. «Stören» kann man in einem Ensemble-Vorhersagesystem den Anfangszustand, die Randbedingungen oder das Modell selber. Idealerweise macht man alles. Aber eins nach dem anderen …
Numerisches Wettervorhersagemodell COSMO
Der wichtigste Bestandteil eines Ensemble-Vorhersagesystems ist das numerische Wettervorhersagemodell. Im Falle von COSMO-E handelt es sich um das Modell des Consortium for Small-Scale Modelling (COSMO). Die für COSMO-E verwendete Version von COSMO unterscheidet sich dabei (abgesehen von ihrer doppelt so groben Maschenweite von 2.2 km) nur in kleinen Details von der Version für das deterministische Modell COSMO-1, das am 31. März 2016 den Betrieb aufgenommen hat (siehe Blogbeitrag zu COSMO-1). Damit haben wir ein Vorhersagesystem, jetzt brauchen wir nur noch ein Ensemble …
Störungen des Anfangszustandes
Am Anfang der Entwicklung von Ensemble-Vorhersagesystemen stand die Entdeckung von Edward Lorenz, dass die Atmosphäre der Erde ein chaotisches System ist: Kleinste Unterschiede im Anfangszustand können schon nach einer kurzen Vorhersagedauer zu grossen Unterschieden in der Vorhersage führen. Der berühmte Flügelschlag eines Schmetterlings in der Provence kann – muss aber nicht – zu einem Gewitter über Aarau führen.
Die verfügbaren Messungen von meteorologischen Grössen wie Druck, Temperatur oder Windgeschwindigkeit reichen bei Weitem nicht aus, um das Wetter zu Beginn der Vorhersage (den «Anfangszustand») eindeutig zu bestimmen. Aus dieser Not macht ein Ensemble-Vorhersagesystem eine Tugend: Es startet die einzelnen Vorhersagen von leicht gestörten Anfangszuständen, die aber alle die beobachteten Messwerte zu Beginn der Vorhersage verwenden.
Störungen am Rand
Ein regionales Wettervorhersagemodell wie COSMO-E benötigt für eine Vorhersage sogenannte «Randbedingungen», nämlich das Wetter respektive die Wettervorhersage am Rand des Modellgebietes. Da die Wettervorhersage am Rand unsicher ist, sollten die Randbedingungen ebenfalls gestört werden. Die Randbedingungen für COSMO-E stammen vom globalen Ensemble-Vorhersagesystem IFS-ENS des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) mit einer Maschenweite von ungefähr 18 km. Störungen am Rand werden für COSMO-E nun dadurch erreicht, dass jede individuelle COSMO-E-Vorhersage in jeweils eine der IFS-ENS-Vorhersagen (auch «Member» genannt) eingebettet wird.
Störungen des Wettervorhersagemodells
Ein Wettervorhersagemodell ist nie perfekt, die Modellformulierung enthält immer Unsicherheiten. Neben den Anfangs- und Randbedingungen kann also auch das Modell selber «gestört» werden, indem die bekannten Unsicherheiten quantifiziert und ebenfalls simuliert werden. Im Falle von COSMO-E geschieht das mit dem sogenannten «Stochastic Perturbation of Physical Tendencies (SPPT)»-Schema, das bei jedem Zeitschritt die Resultate der Modellberechnung zufällig leicht stört und damit für jede Vorhersage gewissermassen künstliche Flügelschläge eines (zugegebenermassen grossen) Schmetterlings einfügt. Auch diese Störungen sind im statistischen Mittel alle gleichwertig und führen zu gleich wahrscheinlichen Entwicklungen des zukünftigen Wetters.
Wahrscheinlichkeitsvorhersage
Mit dem oben beschriebenen Ensemble-Vorhersagesystem COSMO-E können nun Wahrscheinlichkeitsvorhersagen berechnet werden: Durch eine statistische Auswertung der gleichwertigen 21 COSMO-E Member kann die Eintretenswahrscheinlichkeit für jedes beliebige Wettereignis abgeleitet werden. Neben den 21 unterschiedlichen Vorhersagen für den Niederschlag (siehe Abbildung 3) können so zum Beispiel auch Wahrscheinlichkeitskarten für den Niederschlag gezeichnet werden (siehe Abbildung 4: Vorhersage der Wahrscheinlichkeit, dass die 6h-Niederschlagssumme 1mm in 6h übersteigt).
Komplementär zur probabilistischen Vorhersage kann man mit dem COSMO-E Ensemble-Vorhersagesystem aber auch die wahrscheinlichste Entwicklung des Wetters bestimmen und gleichzeitig eine Vertrauenswürdigkeit dieser Vorhersage angeben: Je unterschiedlicher die individuellen COSMO-E Member sind, desto unsicherer ist die Prognose. Je ähnlicher die Entwicklungen der einzelnen Modellläufe, desto sicherer die Vorhersage.
COSMO-E im Einsatz
MeteoSchweiz hat nach einer sechsmonatigen Testphase COSMO-E in Betrieb genommen. Mit diesem Ensemble-Vorhersagesystem können insbesondere seltene und extreme Wetterentwicklungen besser erfasst werden. Gerade für die Warnung vor Unwettern im Alpenraum ist COSMO-E damit eine unentbehrliche Grundlage für die MeteoSchweiz und alle Kunden, die nicht nur an der wahrscheinlichsten Wetterentwicklung interessiert sind.
COSMO-E läuft auf neuem Supercomputer
Wie das deterministische Modell COSMO-1, das den operationellen Betrieb bereits am 31.03.2016 aufgenommen hat, läuft auch COSMO-E auf dem neuen Supercomputer «Piz Kesch» am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum der Schweiz (CSCS) in Lugano. «Piz Kesch» wurde von MeteoSchweiz in Zusammenarbeit mit dem CSCS, dem Center for Climate Systems Modeling (C2SM) an der ETH Zürich sowie den Firmen Cray und NVIDIA für die Bedürfnisse von MeteoSchweiz massgeschneidert. MeteoSchweiz setzt als erster nationaler Wetterdienst weltweit auf eine neue Rechnerarchitektur für ihre operationellen Wettervorhersagemodelle: Durch die Verwendung von Graphikprozessoren (GPUs) und einer für GPUs optimierten Software rechnet der Supercomputer nicht nur deutlich schneller sondern auch wesentlich energieeffizienter, was eine Vervielfachung der Rechenkapazität zu gleichen Kosten ermöglicht.