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GME/LM : Können Modelle Gewitter vorhersagen (1) ?

Geschrieben von: Org: Wetterfuchs, 8.09.2003
Datum: 13. September 2003, 08:54 Uhr


Der diesjährige gewitterreiche Sommer stellte die Gewitterprognose auf manche Probe. Immer wieder stand man dabei vor der Frage, welche Möglichkeiten man hat, wenn man für die nächsten oder den gleichen Tag Gewitter prognostizieren muß? Bei der Festlegung auf die nächsten Tage stützen wir uns bei allen Vorhersagen weitgehend auf die Aussagen der numerischen Modelle. Für den gleichen Tag bieten sich zusätzlich die klassischen Verfahren und Hilfsmittel des Nowcasting an. Die Modelle machen allgemein Angaben über Druck-, Wind-, Feuchte-, Niederschlags- und Temperaturverteilung. Daraus kann man mit Hilfe eigener synoptischer Interpretation auf das Auftreten von Gewittern schließen. Können Modelle aber Gewitter auch von sich aus vorhersagen? Schon seit einigen Jahren nutzen die Prognostiker solch ein direktes modellbasiertes Prognosematerial bei der Entscheidung über zu erwartende Gewitter. Im Rahmen von aktuellen Gewitterlagen-Postings hier im Forum habe ich teilweise Gewitter-Output von GME oder LM verwendet, um die zu erwartende Gewitterlage zu beschreiben, ohne aber näher auf die Grundlagen des numerischen Gewitter-Outputs einzugehen. Dies soll nun in einem zweiteiligen Posting geschehen. In diesem ersten, grundlegenden Teil geht es um die Konzepte zur numerischen Gewitterprognose, um die Formulierung der Konvektion bei GME und LM sowie die im GME/LM-System inkorporierte automatische Gewitterinterpretation. Im zweiten, mehr praktischen Teil wird die operationelle Leistungsfähigkeit der Gewitterprognose von GME und LM anhand von allgemeinen Verifikationsergebnissen und speziellen Fall-Demos demonstriert . Das Verständnis des zweiten Teils setzt dabei die Lektüre dieses ersten Teils voraus, den ich zum besseren Verständnis der theoretischen Zusammenhänge textlich möglichst anschaulich gehalten habe.

1) GRUNDKONZEPTE UND SKALENBETRACHTUNGEN

Man kennt in der operationellen Praxis zwei Richtungen von direkten Gewitterprognosen auf Modellbasis : Bei der einen Richtung wird mit statistischen Verfahren (z.B. MOS = Model Output Statistics) aus den Basis-Modellfeldern und lokalen klimatologischen Abhängigkeiten das Produkt „Gewitter“ quasi-lokal abgeleitet. Ein derartiges statistisches Postprocessing von Modellen ist weit verbreitet, z.B. beim DWD oder auch bei Meteomedia. Die andere Richtung sucht die Aussage „Gewitter“ auf einem noch direkteren Weg, nämlich den Weg des Postprocessing über die interne „Wetterinterpretation“. Hier kommt es zu keiner direkten statistischen Koppelung mit lokalen Gegebenheiten.. Letzten Endes steckt dahinter die Überzeugung und Philosophie, daß auch die Gewitterprognose, wie die anderer Parameter, aus der Physik des Modells selbst heraus kommen muß. Es ist dies der methodisch sauberste Weg. In diesem Bereich hat sich der DWD schon frühzeitig einen Namen gemacht und die Wetterinterpretation im Vorhersagesystem von LM und GME fest installiert. So existiert beim DWD numerisch alles drei : Die Prognose der synoptischen Basisfelder, die MOS-Prognosen zum Gewitter und die direkten Gewitter-Prognosen über die modellgekoppelte automatische Wetterinterpretation. Letzteres ist Gegenstand dieses Postings.

Die direkten Modell-Gewitter-Prognosen sind in ihrer Formulierung, ihren Möglichkeiten und Grenzen eng mit der gegebenen geometrischen und physikalischen Modellstruktur verbunden. Jedes Modell umfaßt bei der Behandlung von meteorologischen Vorgängen verschiedener Größenordnungen einen „skaligen“ und einen „subskaligen“, „parameterisierten“ Bereich. Skalig bedeutet, daß das Modell mit seinem Gitter die behandelten Strukturen direkt auflösen kann, d.h. die meteorologischen Strukturen so groß sind, daß sie mit der durch das Modellgitter vorgegebenen Modellauflösung erfaßt werden können. Kleinerräumigere Strukturen fallen durch dieses Modellgitter hindurch, müssen also, um ihre Existenz und Wirkung nicht zu übergehen, „parameterisiert“ werden. Konvektive Erscheinungen wie z.B. Schauer und Gewitter, haben in ihrer Größenordnung eine Zwitterstellung inne : Konvektion ist in ihrer Größe sowohl skalig als auch subskalig. „Mesoskalige“ konvektive Systeme (MCS) sind in diesem Sinne in den Modellen geometrisch skalig, einzelne Cu-Wolken, Schauer oder auch Wärmegewitter aber geometrisch meist subskalig. Dies ergibt sich unmittelbar beim Blick auf die unterschiedlich gut auflösenden Gitternetze von GME und LM.

2) MODELL-KONVEKTION BEI GME UND LM

Das globale Modell GME umspannt mit seinem gröberen Gitternetz die ganze Erde, das regionale LM ist als deutlich höher aufgelöstes Modell wie ein „Nest“ in das globale Modell eingebettet. Diese Verhältnisse werden in der folgenden Darstellung sichtbar :

Die Abbildung zeigt das GME-Netz mit seinem charakteristischen hexagonalen Gitter, das in voller Darstellung eine Kantenlänge von 60 km besitzt. Auf jeder der 31 übereinander liegenden Modellflächen befinden sich so 163842 Gitterpunkte. Das sehr dichte Netz des LM weist eine geometrische Breitenkreis-Längenkreis-Struktur auf, wobei auf seinen 35 Modellflächen je 105625 Gitterpunkte in 7 km Abstand liegen. Der geographische Gültigkeitsbereich von LM deckt Mitteleuropa und angrenzende Gebiete ab.

GME prognostiziert für seine Gitterpunkte 6 meteorologische Variablen : Temperatur T, horizontalen Windkomponenten u und v, Bodenluftdruck ps (Luftdruck am Modellboden), spezifische Feuchte qv und Wolkenwassergehalt qc. LM besitzt 8 Vorhersagevariablen : Temperatur T, horizontale Windkomponenten u und v, die vertikale Luftbewegung w, Druckdifferenz p‘ (Differenz zwischen Luftdruck und einem definierten Referenzluftdruck), spezifische Feuchte qv, Wolkenwassergehalt gc und die turbulente kinetische Energie TKE. Der für jede Prognose benötigte Anfangszustand im Gitter wird bei GME über eine 4-dimensionale Datenassimilation mit „Optimaler Interpolation“ (OI) in 6h-Schritten gewonnen, bei LM wird eine kontinuierliche Datenassimilation über das „Nudging“-Verfahren vorgenommen. Bei den genannten Vorhersagegrößen fehlen einige der operationell benötigten Parameter wie z.B. das Geopotential (Höhe) der Druckflächen, der Niederschlag oder beim „hydrostatischen“ GME auch die Vertikalbewegung. Um diese Größen zu erhalten, wird von diagnostischen Beziehungen auf der Basis der berechneten Prognosewerte ausgegangen. Beim Geopotential nutzt man die Vertikalprofile der Temperatur, bei der GME-Vertikalbewegung das vertikale Integral der horizontalen Divergenzen. Bei der Niederschlagsdiagnose werden die mit den Gitterpunktswerten verbundenen wolkenphysikalischen Prozesse in jedem Modellzeitschritt von oben nach unten zu einem „Niederschlagsfluß“ aufaddiert. So entsteht der „skalige“ Niederschlag, der synoptisch wesentlich mit dem flächenhaften , meist frontalen Niederschlag gleichgesetzt werden kann.

Zurückkommend auf die Begriffe „skalig“ und „subskalig“ macht die Modellauflösung von 60 km beim GME somit unmittelbar klar, daß wesentliche Anteile der Konvektion bei GME in jedem Fall subskalig sind. Aber auch LM mit seiner 7 km Auflösung ist noch nicht in der Lage, alle Größenordnungen der Konvektion, z.B. kleine Cumulus-Wolken, skalig abzudecken. Ein Prognosemodell muß in der Lage sein, in sich konsistent der Konvektion von den kleinsten Anfängen bis zu den größten Formen im Mesosccale gerecht zu werden. In geschlossener „skaliger“ Form gelingt dies nur speziellen, extrem hoch aufgelösten, nur wenig ausgedehnten, nichtoperationellen Forschungsmodellen. Dort erscheinen die Gewitter als reale Objekte, die einen bestimmten Lebenszyklus mit Wachstum, Reife und Zerfall durchlaufen. Die in der Fläche ausgedehnteren operationellen Modelle können die Konvektion aus Rechnerkapazitätsgründen so nicht simulieren, sondern müssen aus Konsistenzgründen den Weg über eine parameterisierte „subskalige“ Konvektion gehen. Dies bedeutet ein Konvektions- bzw. Schauer/Gewitter-Strukturschema, das in seinen Konvektionsaussagen den Bereich einer einzelnen Gitterfläche nicht überschreitet und dort jeweils an die skaligen Werte im Gitterfeld angekoppelt ist. Die Schauer/Gewitter-Aussage im operationellen Modell stellt sich daher als ein „Mosaik“ oder „Fleckenteppich“ von jeweils gitterfeldgroßen konvektiven Elementen dar. Somit ist auch die Darstellung von Schauern und Gewittern als reale Konvektions-Objekte nicht möglich. Das gleiche gilt selbstverständlich dann auch für mesoskalige konvektive Systeme (MCSs). Jedes modell-orientierte Gewittergebiet leuchtet jeweils in den Einzel-Facetten der Untereinheiten des Gitternetzes.

Das konkrete Konvektionsschema, das der DWD innerhalb jeder Gitterfläche bei GME und LM betreibt, wird aufgrund seiner Struktur als „Massenflußschema“ bezeichnet. Dieses Massenflußschema versucht die wichtigsten Eigenschaften der Konvektion „fiktiv“ für jede Gitterfläche nachzuvollziehen. Das Schema kennt dabei 3 verschiedene Formen der Konvektion : Flache Konvektion, mittelhohe Konvektion und hochreichende Konvektion. Letztere verkörpert hauptsächlich die Gewitterkonvektion. Das Modell prüft für einen Modellzeitschritt anhand der skaligen Werte in der Vertikalen und Horizontalen, ob und welche der 3 Konvektionsformen gegeben ist. Die Konvektion dieses Zeitschritts erscheint dabei als „fertige“ Gleichgewichtskonvektion, beschrieben mit Updraft, Downdraft, Basis und Top der Konvektionswolke usw. Der Updraft entwickelt sich bei der flachen und hochreichenden Konvektion aus der bodennahen Schicht heraus und wird wesentlich durch bodennahe Feuchtestromkonvergenz erzwungen. Ein weiterer Faktor ist der turbulente vertikale Feuchtestrom. Die mittelhohe Konvektion startet in der mittleren Troposphäre, sie wird durch skalige Vertikalbewegungen in der mittleren Höhe ausgelöst. Wie erwähnt berechnet das Modell für die Feuchtkonvektion definierte Wolkenuntergrenzen und Wolkenobergrenzen. Dabei ist auch ein „Overshooting“ möglich. Wie hoch die Konvektionswolke in jedem Modellzeitschritt reicht, hängt außer von der Schichtungslabilität, sowie horizontalen Konvergenz und Divergenz auch von der Wirksamkeit des (hauptsächlich seitlichen ) turbulenten Entrainments und Detrainments von Feuchte und Temperatur ab. Durch Entrainment dringt Außenluft in den Wolkenbereich ein, beim Detrainment verliert die Wolke z.B. Feuchtigkeit an die Umgebung. So kann trockene Luft z.B. die Konvektionshöhe hemmen, indem „Masse“ der fiktiven Gewitterwolke verloren geht. An der Entrainment/Detrainment-Schraube kann, wie bei allen Parameterisierungen , prinzipiell gedreht werden, um das Ergebnis zu optimieren. Derartige Tests erweisen sich aber meist als sehr diffizil.

Wichtige Parameter der Modellkonvektion sind auch der horizontale Bedeckungsgrad der Bewölkung und der Niederschlag. Die Modelllsimulation richtet sich bei der Berechnung des Bedeckungsgrades nach der vertikalen Tiefe der Konvektion, also der Differenz zwischen Top und Basis und berücksichtigt zusätzlich die Ausbreitung der Konvektionsbewölkung an einer begrenzenden Inversion (z.B. im Falle hochreichender Konvektion an der Tropopause). Konvektiver Niederschlag wird nur ab einer bestimmten Konvektionstiefe zugelassen, flachere Konvektion wird im Modelloutput negiert. In die hierfür gültigen Schwellenwerte sind z.T. Unterschiede zwischen Land und Meer, nicht aber jahreszeitliche Unterschiedliche Unterschiede.

Fassen wir die wesentlichen Aussagen des Konvektionsschemas von GME und LM zusammen : Wegen der breiten Größen-Skala wachsender Konvektion sind die Modelle gezwungen, die Konvektion in der Art eines Flickenteppichs an jedes einzelne Gitterfeld gebunden zu parameterisieren. Die Konvektion wird als Gleichgewichtszustand für jeden Zeitschritt und jedes Gitterfeld parameterisiert mit den wichtigsten Eigenschaften wie Updraft, Downdraft, Tops und Basis, Bewölkungsgrad, Niederschlag. Aufgrund dieser Gegebenheiten kann es im strengen Sinne keine direkte Entwicklung von konvektiven Systemen im Modell kommen, die Modellergebnisse stellen treppenstufenartig (zeitlich und räumlich) verschiedene konvektive Zustände der Gitterelemente dar und beschreiben keine realen konvektiven Objekte. Allerdings können sich hoch-konvektive Gitterflächen so zusammen gruppieren, daß sie nach außen hin den Anschein eines „geschlossenen“ mesoskaligen Gebildes machen. Darüber weiter unten mehr.

3) GEWITTER-INTERPRETATION BEI GME UND LM

An dieser Stelle entsteht jetzt unwillkürlich die Frage : Wir haben zwar nun eine Modell-Konvektion, woher weiß man aber, daß es sich z.B. um Gewitter handelt? Zur Beanwortung dieser Frage braucht man streng genommen eine Simulation der atmosphärischen Elektrizität. Davon ist man aber heute noch ein gutes Stück entfernt. Um aber trotzdem eine objektive Aussage zu erhalten, hat man beim DWD ein Wetterinterpretationsschema entwickelt, das als internes „Postprocessing“ dem Modell-Output ein “synoptisches“ Gesicht verleiht. Die Gewitterinterpretation ist dabei Teil eines gesamten Wetterinterpretionsschemas. Das Interpretationsschema simuliert den gesamten WMO-Wettercode (00 bis 99), z.B. auch typisch winterliche Wettererscheinungen. Beim Bereich Gewitter gibt es 2 Formen : Leichtes oder mäßiges Gewitter (95er-Gewitter) und starkes Gewitter bzw. Gewitter mit Graupel oder Hagel (96er-Gewitter). Die folgende Tabelle zeigt die dafür gültigen Definitionen :

Darin bedeuten : RG Gesamtniederschlag, RK konvektiver Niederschlag (beide Formen liegen ja definitionsgemäß vor, s.oben). Die in der Tabelle genannten Kriterien müssen für jeweils ein Modell und Gitterfeldbereich stets alle erfüllt sein. Die Interpretation Gewitter setzt dabei eine Mindestgesamtniederschlagsmenge voraus (RG>= 0.015mm/h). Für die Kategorie „leichtes oder mäßiges Gewitter“ gelten für GME und LM 3 gemeinsame Kriterien: Der KO-Index (KOI) muß kleiner als 1, die Konvektionstiefe (PBAS-PTOP) größer als 400 hPa und die Toptemperatur der Modellkonvektion tiefer als -25°C sein. Diese Kriterien lehnen sich eng an die synoptische Erfahrung an. Neben den 3 gemeinsamen Kriterien bei GME und LM gibt es noch 1 Kriterium mit unterschiedlichen Schwellenwerten der konvektiven Niederschlagsmenge von GME und LM. Das Mitteleuropa repräsentierende LM hat laut Tabelle als Schwellenwert für den konvektiven Niederschlag 0.5 mm/h (seit 23.07.03 gilt ein in der Tabelle noch nicht erscheinender Schwellenwert von 0.6 mm/h). Beim GME ist der Schwellenwert je nach Klima (bzw. geographischer Breite) unterschiedlich und errechnet sich für Mitteleuropa als 0.25 mm/h. Die Abweichung von GME gegenüber LM mag im ersten Moment überraschen, erklärt sich aber u.a. dadurch, daß im operationellen GME-Datenspeicher die Niederschläge bei der ursprünglichen Entwicklung der Wetterinterpretation anders als beim LM nicht als 1h-Summen, sondern nur als 3h-Summen vorlagen. Man geht also faktisch von einem Schwellenwert von 0.75 mm/3h aus, was für Gewitter schon eine relativ lange Bezugszeit bedeutet (und daher eine kleinerer mm-Wert/h sinnvoll ist). GME schließlich setzt für leichte bis mäßige Gewitter noch zusätzlich voraus, daß der Labilitätsindex Totals Totals mindestens 40 betragen muß.

Für die Kategorie „starkes Gewitter (oder Gewitter mit Graupel/Hagel)“ sind einige der Schwellenwerte verschärft : Bei GME und LM gemeinsam muß der KO-Index einen Wert unter –6 haben und die Toptemperatur geringer als –45°C sein. Höher ist auch die mindestens zu erreichende konvektive Niederschlagsmenge, nämlich 2.0 mm/h bei LM und 1.0 mm/h (3.0 mm/3h) über Mitteleuropa bei GME. Die Vorgaben für die Mindestkonvektionstiefe und den Totals-Totals bei GME sind dagegen unverändert.

Bei genauer Betrachtung der benutzten Kriterien sieht man, daß die Aussage „Gewitter“ wesentlich von den ursprünglichen Parametern der Modell-Konvektion bestimmt wird (Konvektionstiefe, Toptemperatur, konvektiver Niederschlag). Die Kriterien KO-Index und Totals-Totals sollen eine zusätzliche synoptischen Argumentation einbringen, wobei die Größen KOI und TT im Modell erst berechnet werden müssen. Das Interpretationsschema wurde bei der Einführung ausführlich getestet und unterliegt jeweils notwendigen Anpassungen, wenn z.B. die modelleigene Konvektion in Details geändert wurde. Letzten Endes lassen sich bei jeder Interpretation „Gewitter“ unterschiedliche Wege gehen, die Grundtatsache aber, daß Gewitter modelleigene Konvektion, Labilität und Niederschlagsbereitschaft voraussetzt, steht wohl außer Frage. Welche und ob man zusätzliche Größen (wie z.B. Labilitätsparameter) für die Gewitteraussage nutzt, ist natürlich Diskussionssache. Der KO-Index als generalisierter vertikaler Gradient der äquivalentpotentiellen Temperatur hat sich beim DWD als sehr nützlich bei der diagnostischen und prognostischen Behandlung von Gewitterlagen erwiesen. Ein negativer KO-Index verkörpert potentielle Instabilität, die bei flächenhafter Anhebung von Luft frei wird. Die Erfahrung mit dem Modell-Produkt KO-Index zeigt darüberhinaus, daß Gewitterlagen, besonders Schwergewitterlagen, auch praktisch nie ohne das aktuelle (!) Vorhandensein eines negativen KO-Indexes auftreten. Das Interpretationsschema lehnt sich, wie schon gesagt, bewußt an das WMO-Wetterschema an. Es geht hier also auch nicht um die Aussage, welche Zellstruktur (z.B. Multizelle, Superzelle) zu erwarten ist. Eine Prognose auch darüber ist zwar prinzipiell wünschenswert, aber mit den heutigen operationellen Modellen (keine Behandlung der Gewitter als individuelle Objekte) noch nicht sinnvoll realisierbar.

Wetterfuchs

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