Numerische Modelle für Wetterprognosen
Als ich letzten Sommer im
Internet nach nützlichen Wetterprognosen für die Hängegleiterfliegerei Ausschau
hielt, fand ich eine aussergewöhnliche Homepage aus den USA, die all meine
Erwartungen überstieg.
Es handelt sich um die Homepage
der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), des nationalen
Instituts für Meeres- und Klimaforschung der Vereinigten Staaten. Vor dieser
Entdeckung war ich gewohnt, fein säuberlich die Messungen der Radiosonden von
Payerne und der Wetterstationen der Schweiz zu notieren und auch das Wetter bei
der SMA abzufragen. Diese Werte jedoch stammen entweder von der letzten Nacht
(Radiosonden) oder dem letzten Morgen (Bodenstationen), und sie verändern sich
meistens im Verlauf des Tages. Ferner sind die Daten der SMA ziemlich ungenau
und liefern keine Angaben über die bevorstehende Entwicklung der Temperatur,
Feuchtigkeit, Druckverteilung und Winde auf verschiedenen Höhen. Schon bevor das
Internet aufkam, träumte ich vom Zugang zu solchen Informationen. Nun aber
können gerade numerische Modelle die Informationen für solche Wettervorhersagen
liefern. Das Internet musste aufkommen, um jedem Piloten diesen einfachen und
schnellen Zugang zu gewähren.
Ein numerisches Modell ist ein leistungsstarkes Computersystem, das anhand von
Klimadaten (Parameter wie Luftdruck, -temperatur, -feuchtigkeit) und
physikalischen Gesetzmässigkeiten die mögliche Entwicklung dieser Parameter
errechnet. Die Basisdaten werden über das weltweit grösste Netz an
Wetterstationen (Radiosonden, Boden-, Schiff- oder Flugzeugmessungen)
eingesammelt, dann homogenisiert, initialisiert und in einem dreidimensionalen,
virtuellen Raster verteilt, der eine bestimmte geographische Zone abdeckt. Das
numerische System ermittelt dann den weiteren Verlauf der Luftparameter an jedem
Punkt des Rasters in regelmässigen Abständen (z.B. im Dreistundentakt) und über
eine bestimmte Prognosezeit, je nach System (z.B. über zwei Tage für die
Kurzzeitprognose). Für den Hängegleiterpiloten sind folgende Kriterien von
Bedeutung: Windrichtung, Windstärke, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit,
Luftdruck, Niederschlagsmenge, Bewölkung usw. Die Entwicklung der Luftparameter
an einem Rasterpunkt hängt sowohl von den ursprünglichen Werten ab als auch von
den Entwicklungstendenzen der Parameter an den anderen Rasterpunkten. Die
Abhängigkeit zwischen Parameter und Gleichungen zur Beschreibung von
atmosphärischen Phänomenen ist sehr komplex. Der rechnerische Prozess zur
Ermittlung numerischer Vorhersagen muss rasch sein, damit die Anwendbarkeit der
Ergebnisse gewährleistet ist. Deshalb lief die Entwicklung der Modelle in den
letzten zwanzig Jahren Hand in Hand mit jener der leistungsfähigsten Rechner.
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Tabelle 1
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Geografischer Ort |
Breitengrad |
Längengrad |
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Genf
Flughafen |
46.24 |
6.11 |
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Aigle |
46.32 |
6.92 |
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Sitten |
46.23 |
7.36 |
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Brig |
46.31 |
7.99 |
|
Thun |
46.76 |
7.64 |
|
Payerne Flugplatz |
46.84 |
6.92 |
|
Zürich
Flughafen |
47.46 |
8.55 |
|
Chur |
46.86 |
9.52 |
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Lugano |
46.00 |
8.95 |
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Grenoble |
45.18 |
5.73 |
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Innsbruck |
47.27 |
11.40 |
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Castellane (St-André les
Alpes) |
43.85 |
6.51 |
Tabelle 2
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Abbildung 1 |
Abbildung 2 |
Abbildung 3 |
Abbildung 4 |
Abbildung 7 |
Abbildung 8 |
Abbildung 9 |
Abbildung 10 |
Abbildung 11 |
Räumliche und zeitliche
Auflösung numerischer Modelle
Numerische Systeme sind Darstellungen
besonderer geographischer Zonen in Form eines dreidimensionalen, virtuellen
Maschenwerkes. Vom Zeitpunkt Null ausgehend werden von den Realmessungen bei
jeder Masche die Werte verschiedener Parameter (Luftdruck, -temperatur,
-feuchtigkeit usw.) initialisiert (extrapoliert). Danach werden in regelmässigen
Abständen die neuen Werte für die Vorhersage der nächsten Stunden bis Tage
hochgerechnet. Je dichter die Maschen, desto höher die räumliche Auflösung. Je
kürzer die Zeitabstände, umso präziser die zeitliche Auflösung. Bei der
räumlichen Auflösung gibt es die planimetrische Auflösung, ein Punktenetz, das
über der Erdoberfläche liegt. Meistens ist der Raster am Boden «viereckig», und
alle Punkte sind gleichweit voneinander entfernt. Bei den feinen regionalen
Modellen sind die Punkte nur einige Kilometer entfernt, bei den Weltmodellen
mehrere Dutzend Kilometer. Ferner gibt es die höhenbedingte (altimetrisch-räumliche)
Auflösung, die einiges komplexer und weniger regelmässig ist. Meistens werden
nicht die metrischen Werte, sondern die Werte der Isobarenschichten benützt:
Punkte auf 925 hPa (ca. 1000 m), 850 hPa (ca. 1500 m), 700 hPa (ca. 3100 m) und
500 hPa (ca. 5500 m). Abbildung 1 stellt solch eine räumliche Auflösung dar.
Nebst der Dauer der Vorhersage (einige Stunden bis einige Tage) und der Grösse
der aufgezeichneten Zonen (von einer Gegend bis zur ganzen Erde) bestimmt das
Modell auch die Zahl der zur Verarbeitung aufgenommenen Parameter.
Ein Schweizer Modell plus
drei interaktive Modelle
MeteoSchweiz hat in Zusammenarbeit mit
dem deutschen Wetterdienst ein numerisches Prognosenmodell mit hoher Auflösung
entwickelt, genannt «Schweizer-Modell» (SM). Es stellt zwei Mal pro Tag eine
48-Stunden-Prognose zur Verfügung. Sein Raster zählt 145 x 145 Punkte am Boden,
14 km Maschendistanz und 20 Ebenen (420500 Punkte insgesamt). Das Maschenwerk
deckt die Schweiz mit den Nachbarregionen ab. Die Rechnungen des SM werden von
der Grossrechenanlage SGI-CRAY J90 der ETH Zürich vorgenommen. In ca. 90 Minuten
liefert er MeteoSchweiz die letzten Prognosen jeweils um 4.30 Uhr und 16.30 Uhr
(Sommerzeit). Die Ergebnisse werden automatisch in Graphik- und Tabellenform
über das Informationsnetz der MeteoSchweiz weiter verteilt, sodass die
Wetterfrösche in Genf, Kloten, Locarno und Zürich sofort mit der Auswertung
beginnen können. Es existieren auch europäische Modelle wie das ECMWF und das
DM. Die Darstellungen dieser Modelle sind aber leider nicht abrufbar im
Internet. Die drei numerischen Modelle, die ich bei der NOAA (www.noaa.gov/)
ausgesucht habe, heissen AVN111, AVN191 und MRF191. AVN steht für «aviation» und
MRF für «Medium Range Forecast» (mittelfristige Vorhersage). Zugang zu diesen
Modellen erhält man über die Links der Seite READY (Realtime Environmental
Application and Display System) der ARL (Air Resource Laboratory), nämlich
www.arl.noaa.gov/ready.html und
auf der Seite Cmet (Current Meteorology)
www.arl.noaa.gov/ready/cmet.html. Tabelle 1 fasst die Eigenschaften dieser
drei Systeme zusammen. Bevor man diesen Gratisservice in Anspruch nimmt, ist es
ratsam, die Anwendungshinweise unter
www.arl.noaa.gov/ready/disclaim.html durchzulesen.
Drei Hauptpräsentationsarten
der Ergebnisse
Vorab zwei Bemerkungen: 1. Um an die
Resultate zu gelangen, braucht es vorgängig konkrete Eingaben, da es sich um ein
interaktives System handelt. Die Resultate fliessen einem nicht ohne weiteres
zu, sondern müssen vom Benützer bestellt werden. 2. Die Werte der Parameter
werden bei jeder Masche des Rasters unterschiedlich hochgerechnet. Dennoch kann
der Benützer den Wert an einem beliebigen Ort der Erdoberfläche abfragen. Das
System extrapoliert diesen Wert geometrisch aufgrund der nächstliegenden
Maschen. Die AVN- und MRF-Systeme extrapolieren jedoch nicht zwischen den
bestimmten Höhen der Systeme (geopotentiale Schichten). Die Ergebnisse der AVN-
und MRF-Systeme werden im Web auf drei Arten dargestellt, nämlich als
Meteogramme, synoptische Karten und virtuelle Sondierungen.
(1) Das Meteogramm zeigt in graphischer Form die zeitliche Entwicklung der
gewählten Parameter (Maximum 5) an einem bestimmten Ort der Erdoberfläche. Siehe
Beispiel Abbildung 4. Die gewählten Parameter sind Wind in 700 hPa (ca. 3000 m)
in Knoten, Lufttemperatur am Boden, Bewölkungsgrad in %, Niederschlagsmenge über
eine bestimmte Zeit in mm (6 h in unserem Beispiel) und Luftdruck auf Meereshöhe
in hPa.
(2) Die synoptische Karte bedient sich maximal zweier Parameter. Hier werden der
Wind in 700 hPa und der auf Meereshöhe reduzierte Luftdruck angegeben.
Interessante Karten können auch mit den Niederschlägen oder mit dem
Bewölkungsgrad erstellt werden.
(3) Die virtuelle Sondierung ist am erstaunlichsten, wenn auch am wenigsten
interaktiv. Siehe Abbildungen 8 und 9. Sie gleicht praktisch dem Emagramm, das
mittels Radiosonden Wind-, Temperatur- und Feuchtigkeitskurven durch
verschiedene Höhen darstellt. Sie kann von jedem Ort der Forschungsebene des
Systems verlangt werden.
Vernünftige Parameterwahl;
Anwendungsbeispiel von AVN111 und AVN191
Grosser Nachteil bei den interaktiven
Systemen AVN11, AVN191 und MRF191 ist, dass man sich leicht im Urwald der
unzähligen Darstellungsmöglichkeiten verliert und die Zahl der erstellten
Meteogramme, Karten und Sondierungen letztlich aus zeitlichen Gründen gar nicht
mehr konsultieren kann. Deshalb wendet man mit steigender Erfahrung eigene
Disziplin- und Verhaltensregeln an, um innerhalb nützlicher Zeit die wichtigsten
Informationen zu erhalten. Jeder darf diese selber erstellen. Als Beispiel
nachstehend die meinen: Zuerst gilt es, sich zu fragen, welche Informationen für
die Beurteilung des nächsten Tages oder der nächsten Tage absolut wichtig sind.
Das allgemeine Wetter resp. die allgemeine Lage sind genügend ausführlich im
SMA-Bulletin beschrieben www.meteoschweiz.ch. Sehr nützlich sind auch die Seiten über die Messwerte
(Temperatur, Luftdruck, Wind usw.). Für uns von grosser Bedeutung, jedoch nicht
angegeben, werden erstens die Entwicklung des Luftdruckes und insbesondere die
Nord-Süd-Unterschiede (≥ 3 hPa sind für uns ungünstig!), zweitens der Verlauf
der Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit mit der Höhe (Temperaturgradient und
Wolkenbildung) und schliesslich drittens die Entwicklung der Winde (Stärke +
Richtung) in der Höhe. Um die Daten dieses numerischen Systems abzurufen,
braucht man die geographischen Koordinaten des gewählten Ortes. Tabelle 2
liefert ein paar nützliche Angaben für die Schweiz und die umliegenden
Alpenzonen.
Um einen groben Überblick der Lage zu gewinnen, schaue ich mir zuerst ein
AVN19-Meteogramm (www.arl.noaa.gov/ready-bin/metgramsrc.pl?metdata=AVN+191+km)
der gewünschten Flugregion an. Für AVN111- und MRF191-Meteogramme ist das
Vorgehen identisch. Die erste in Erscheinung tretende Webseite dient der Eingabe
der gewählten Koordinaten. Siehe Abbildung 2. (a) Als erstes werden also die
Koordinaten der gewünschten Flugregion in zwei kleine Felder eingetragen, in
unserem Beispiel Genf Flughafen: 46.24 und 6.11. (b) Dann wird durch Anklicken
von «NEXT» die nächste Seite aufgerufen.
Hier werden die nützlichen Parameter sowie die Dauer des Meteogramms eingefüllt.
Siehe Abbildung 3. (a) Man kann das Datum und die Zeit der Initialisierung
wählen, doch meistens ist es besser, man lässt das vorgegebene, optimale Datum.
(b) Hier empfiehlt es sich, die maximale Prognosedauer zu wählen, 84 h für
AVN191, da die Seite aus Versehen 12 h vorschlägt. (c) Dann Option 3 anklicken
und die gewünschten Parameter angeben. (d) Genau an diesem Punkt wird es
interessant. Man kann fünf aerologische Parameter in den gewünschten Höhen
wählen. Zum Beispiel, Luftdruck am Boden (SFC), Niederschlagsmenge, Temperatur 2
m über dem Boden, Bewölkungsgrad sowie Windstärke und -richtung in 700 hPa (ca.
3100 m). Diese Wahl hat sich bewährt, da sie die Fliegbarkeit rasch erkennen
lässt. (e) Durch Anklicken wechselt man zur nächsten Seite, wo die Resultate
präsentiert werden.
Auf dieser neuen Internet-Seite (siehe Abbildung 4) erkennt man auf der Abszisse
das Datum und die Stunde (alle 6 Stunden) und auf der Ordinate die zeitliche
Entwicklung der fünf Parameter. Dabei sei bemerkt, dass es sich um die UTC, die
koordinierte Weltzeit (Greenwich) handelt. Um die Sommerzeit in den helvetischen
Breitengraden zu erhalten, müssen zwei Stunden hinzugerechnet werden (12.00 Uhr
UTC = 14.00 Uhr Sommerzeit bei uns). Von oben nach unten kann man den Wind
(Stärke in Knoten, Richtung mittels Pfeil) lesen, den Bedeckungsgrad (in %), die
Temperatur 2 m über Boden in °C, die Niederschlagsmenge über sechs Stunden in mm
und den Luftdruck am Boden in hPa. Während Dienstag, 29.5.2001 (TUE) eher
günstig erscheint – hoher Luftdruck, wenig Wind in der Höhe, kaum Bewölkung und
kein Regen –, sehen Mittwoch (WED) und ganz besonders Donnerstag (THU)
offensichtlich schlecht aus. Wir brauchen folglich keine weiteren Recherchen für
Mittwoch und Donnerstag anzustellen. Es lohnt sich also, mit einem Meteogramm
über mehrere Tage zu beginnen, um eine erste Auswahl der «guten» Tage zu
treffen. Mit dem MRF191-System hätte man die Prognose über zehn bis zwölf Tage
(alle 12 Stunden) in Anspruch nehmen können. Leider werden da keine Angaben über
die Bewölkung geliefert. Ferner sind die Vorhersagen für sechs bis sieben Tage
erfahrungsgemäss wenig zuverlässig.
Diese Prognosen erwiesen sich als richtig und entsprechen auch denen der
SMA-Homepage. Nun gilt es, die Vorhersagen für Dienstag zu vertiefen. Hierzu
leistet das AVN111-System dank ihrer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung
wertvolle Dienste. Nehmen wir z.B. die synoptische Karte, die uns Auskunft über
die Entwicklung der Luftdruckverteilung gibt (www.arl.noaa.gov/ready-bin/arlplot1.pl?metdata=AVN+111+km).
Die erste Seite, die erscheint, verlangt die Eingabe der Koordinaten des
Soll-Fluggebietes sowie der gewählten Parameter. Siehe Abbildung 7. (a) Hier
werden die Koordinaten des Kartenzentrums angegeben. Ich habe als Beispiel Thun
mit 46.76 und 7.64 ausgesucht. (b) Die gewünschte Kartengrösse wird in Grad
angegeben. Mit 5 Grad erhält man die ganze Schweiz samt nächstliegender
Umgebung, mit 20 Grad fast ganz Europa. (c) Durch die Option «Overlay» können
zwei Parameter gleichzeitig aufgerufen werden. (d) Zwei wichtige Parameter sind
der auf Meereshöhe reduzierte Luftdruck (SFC) und der Wind in 700 hPa (ca. 3100
m). (e) Hier kann man die Farben der Linien wählen. (f) Wählt man 1 in diesen
zwei Fenstern, beträgt der Isobarenabstand 1 hPa, und die Windpfeile werden an
jedem Knoten des Modells, hier 111 km, erscheinen. Falls die Bewölkung in % als
Parameter gewünscht wird, empfehle ich die Zahl 20, da die Karte sonst so stark
gestrichelt sein kann, dass sie unlesbar wird. (g) Schliesslich gilt es auch,
das gewünschte Datum zu wählen, in diesem Fall Dienstag, 29. Mai 2001, 12.00 Uhr
UTC. Nach Abschluss der Einträge, die mit ein wenig Übung nur wenige Sekunden in
Anspruch nehmen, kann der Befehl «Request plot», Karte erstellen, angeklickt
werden.
Auf der nächsten Seite (Abbildung 8) erscheint die synoptische Karte. Man
erkennt leicht die schematischen Grenzen der Schweiz. Der Stern in der Mitte
bildet sein Zentrum, hier Thun. Wir haben eine Hochdrucklage mit flacher
Druckverteilung am Boden. Die Winde in der Höhe sind mässig stark, von W bis NW,
etwas eindeutiger im NO als im SW. Somit eine auf den ersten Blick günstige
Lage, vor allem in der Westschweiz. Doch das reicht noch nicht. Wir müssen die
Sondierung am selben Datum und zur selben Zeit anschauen. Das AVN111-Modell
eignet sich bestens dazu. Wir wechseln zur Homepage
www.arl.noaa.gov/ready-bin/profsrc.pl?metdata=AVN+111+km. Die erste Seite
ist dieselbe wie in Abbildung 2. Die Koordinaten des gewünschten Ortes werden
eingetippt. Für das Beispiel habe ich den Flugplatz Payerne (46.84/6.92)
gewählt. Auf der zweiten Seite (siehe Abbildung 9) werden Datum und Zeit (a)
ausgesucht, für das Beispiel weiterhin Donnerstag, 29. Mai, 12.00 Uhr UTC sowie
ein paar Darstellungsoptionen; z.B. ziehe ich es vor, die Sondierung auf 400 hPa
(ca. 7500 m) zu beschränken, (b) und die Angabe der Werte nicht nur graphisch,
sondern auch in Zahlen zu verlangen.
Die letzte Seite liefert ein erstaunliches Ergebnis (siehe Abbildung 10 und 11).
Wir haben eine echte Sondierung der Aussichten für unsere Flugregion und
-periode. Was will man mehr? Auf der rechten Seite der graphischen Darstellung
finden wir die Richtung und Stärke (in m/s) der Winde auf verschiedenen Höhen.
In Rot ist die Temperaturkurve und in Grün die Taupunktkurve (Feuchtigkeit)
eingezeichnet. Abbildung 11 liefert die gleichen Werte in Zahlen, was uns unter
anderem erlaubt, die Höhe der Druckschichten (Geopotentiale) zu kennen und die
genauen Temperaturgradiente zu ermitteln. In diesem Beispiel ist die Atmosphäre
ziemlich trocken, da die Feuchtigkeitskurve von der Temperaturkurve entfernt ist
(demnach geringe Cumulusbildung); mässige Winde aus W und NW (also akzeptable
Turbulenzen) sind zu erwarten und ein durchschnittlicher Temperaturgradient von
etwas mehr als 0.6°/100 m zwischen 1600 und 3200 m (10°/16 hm = 0.63°/100m), was
mässige Thermik im Gebirge bedeuten kann.
Zusammenfassung
Piloten, die sich einigermassen im
Internet zurechtfinden, werden die Nützlichkeit dieser Art von Wettervorhersagen
rasch begreifen. Für mich jedenfalls bildet sie das wichtigste Instrument zur
Flugvorbereitung. Natürlich schaue ich mir weiterhin die SMA-Prognosen an, doch
ersetzen sie nicht die Subtilität und Genauigkeit der AVN- und MRF-Modelle. Mit
ihnen kann ich z.B. schon am Vorabend oder sogar früher meinen Flugtag
vorbereiten, anstatt erst am frühen Morgen. Ziel dieses Artikels war, meiner
Begeisterung Ausdruck zu verleihen und anderen Piloten resp. Internet-Usern
meine Entdeckung weiterzugeben. Dieser Text ist leicht gekürzt. Der Originaltext
kann auf meiner Homepage
www.cid.ch/meteo/index.html gelesen werden. Hier findet man auch eigens
entwickelte Werkzeuge, die den Zugang zu den AVN- und MRF-Graphiken
vereinfachen. Last but not least eine ebenfalls wichtige Web-Adresse:
www.westwind.ch/w_ukmb.html,
die Meteokarten mit Isobaren und Fronten für das Wetter in Europa in den
nächsten ein bis fünf Tagen präsentiert. Diese Darstellungsform stammt vom
europäischen Wetterdienst.
Jean Oberson
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