Regionalisierte Thermikprognosen mit «Alptherm»

Physikalische Grundlagen von Alptherm
Im Vergleich zu den Verhältnissen über einer ebenen Heizfläche ist der Volumenanteil der Atmosphäre in einem Tal von der Höhe abhängig. Tagsüber wird die Talatmosphäre rascher aufgeheizt, weil innerhalb des Tales weniger Luft als über flacher Topographie zu erwärmen ist. Durch diesen Volumeneffekt erreicht die Thermik bei gleicher Einstrahlung wie über einer Ebene bezogen auf den Talgrund grössere Höhen.

Aus topographischen Karten oder digitalen Geländedaten kann für ein vorgegebenes Gebiet die Höhenverteilung der Heizflächen und des atmosphärischen Volumens bestimmt werden. Dies wird für Alptherm in Schritten von 100 Höhenmetern gemacht. Die Atmosphäre über dem Gebiet wird bis 6000 m hinauf ebenfalls in Schichten von 100 m Mächtigkeit eingeteilt. Als Startwerte für die Temperatur und die Feuchte wird eine mitternächtliche Radiosondierung verwendet. Die Talluft wird durch die nächtliche Abkühlung an den Hängen gekühlt, im Modell bildet sich der bodennahe Kaltluftsee aus. Bei Sonnenaufgang ist das Temperaturprofil der Talatmosphäre schon sehr realistisch. Das Feuchteprofil hingegen stimmt noch nicht, da am Ort der Sondierung (Flachland) die Luft im allgemeinen trockener ist als in den Tälern. Hier kommen regionale Bodenmesswerte ins Spiel, die das Feuchteprofil verbessern.

Nun setzt die Aufheizung ein. In Alptherm wird der Energiestrom der Sonnenstrahlung in vier Teile aufgespalten. Die Albedo bestimmt, welcher Anteil reflektiert wird. Vom verbleibenden Teil wird die langwellige Ausstrahlung abgezogen. Nach Bildung dieser Strahlungsbilanz geht ein Teil der noch verfügbaren Energie als Bodenwärmestrom ins Erdreich und ein Teil wird zur Verdunstung von Wasser verwendet. Mit dem Rest wird schliesslich die bodennahe Luft erwärmt, die als Thermikpaket aus den verschiedenen Modellhöhen aufsteigt, bis diese durch turbulenten Austausch mit der freien Atmosphäre ihren Auftrieb verloren haben. Da die Thermikpakete eine mechanische Trägheit besitzen, dringen sie etwas in die stabile Schicht über der Thermik ein. Die als Thermik aufgestiegene Luft wird am Boden durch Absinken der freien Atmosphäre wieder ersetzt. Mit einem Zeitschritt von zwei Minuten wird dieser Zyklus den ganzen Tag durch berechnet. Wenn gegen Abend die Strahlungsbilanz negativ wird, setzt innerhalb der Topographie die Bildung des nächtlichen Kaltluftsees ein. Dies beginnt am Talgrund, weil dort die Lufttemperatur mit der trockenadiabatischen Schichtung am höchsten ist und dadurch auch die infrarote Ausstrahlung.

Die Berücksichtigung der Flächen-Höhenverteilung bringt den eigentlichen Qualitätssprung von Alptherm gegenüber der Thermikparametrisierung in den 3-dimensionalen Wettermodellen. Bei einer horizontalen Auflösung von 14 km existieren die inneralpinen Täler für diese Modelle nicht, die Alpen sind darin ein flacher Bergrücken. Auch die vertikale Auflösung liegt in Alptherm mit 100 m deutlich höher als in den 3-d-Modellen. Alptherm ergänzt somit die 3-d-Modelle, der zusätzliche Rechenaufwand bleibt durch die Verwendung der Flächen-Höhenverteilung in einem bescheidenen Rahmen.

Da Alptherm ein lokales Modell ist, müssen ihm Luftmassenänderungen aus der grossräumigen Wetterentwicklung vorgegeben werden. Diese Vorgaben werden mit den operationellen Wettermodellen berechnet und dem Konvektionsmodell zur Verfügung gestellt.

Operationeller Betrieb im Wetterdienst
Die Datenerfassung für die Thermikprognose mit Alptherm beginnt um Mitternacht, wenn weltweit synchron die Radiosonden gestartet werden. Für die Schweiz relevante Sondierungen erfolgen in Payerne (CH), Lyon (F), Stuttgart (D), Innsbruck (A) und Milano (I). Mit den Sondierungsdaten werden die Wettermodelle für die grossräumige Wetterentwicklung gefüttert. Die heute verfügbare Rechenkapazität macht es möglich, dass bereits nach wenigen Stunden die Entwicklung für die kommenden Tage vorausberechnet ist. Für jede Thermikregion wird aus all diesen Berechnungen ein Auszug erstellt, der den Tagesgang folgender Grössen enthält:

Die grossräumigen Vertikalbewegungen und die Luftmassenänderungen werden auf den vier Druckflächen 850 hPa (ca. 1500 mü.M), 700 hPa (ca. 3000 mü.M), 600 hPa (4200 mü.M) und 500 hPa (5500 mü.M) berücksichtigt. Wenn diese Auszüge vorliegen, kann die regionalisierte Thermikberechnung erfolgen. Aus der aktuellen Grosswetterlage werden den 15 Regionen die repräsentativen Radiosondierungen zugeordnet. Bei Bise wird Stuttgart wichtig, bei Südwestwind ist es eher Lyon. Die Grosswetterlage wird vom diensthabenden Meteorologen identifiziert, für Spezialfälle besteht die Möglichkeit, die automatische Zuordnung der Temps zu den Regionen noch zu ändern.

Alptherm berechnet nun auf den regionalen Topographien die konvektive Entwicklung ab Mitternacht. In den Thermikprognosen sind die ausgewählte Sondierung (Temp Payerne), der Zeitpunkt der Stationsmeldungen (ASTA 04z) und die Startzeit der grossräumigen Wetterberechnungen (NUM 00z) erkennbar. Dabei steht z für UTC, unsere Sommerzeit ist UTC+2. Die Angabe NUM 12z bedeutet, dass die grossräumige Entwicklung auf den Daten des vorangegangenen Mittags beruht, also weniger aktuell ist als NUM 00z. Dies kommt gelegentlich vor.

Jetzt werden die Prognosen in den Fax-Server eingelegt und stehen dem interessierten Publikum zur Verfügung. Die 15 berechneten Thermikprognosen werden unter vier Fax-Nummern wie folgt angeboten:

157326291 Jura West, Jura Ost, Schwarzwald, Schwäbische Alb
157326292 Mittelland West und Ost, Voralpen West und Ost
157326293 Alpen West und Ost, Wallis, Goms
157326294 Engadin, Tessin, Ambri

Drei bis vier zusammenhängende Fluggebiete sind unter einer Nummer abrufbar. Auf zwei A4-Seiten wird die Thermikentwicklung in vier Regionen dargestellt.

Das Produkt
In den operationellen Prognosen wird der zeitliche Verlauf der Thermikentwicklung mit halbstündiger Auflösung dargestellt. Zu den Bodenwerten von Temperatur und Taupunkt wird ein Thermikprofil ausgegeben, das in 200-m-Schritten ab Boden die Steigwerte eines Luftfahrzeuges darstellt, das mit 1 m/s Eigensinken in der Thermik kreist. Die Steigwerte sind in Vielfachen von 0.5 m/s ausgegeben, ein Steigen von 2.6 m/s wird also (gerundet) als 5 dargestellt. Man erkennt somit die Beschleunigungsstrecke der Thermik, den Bereich mit konstantem Steigen und schliesslich auch die Abnahme der Steigwerte im oberen Teil. Die Bildung von Cumuluswolken erscheint als * an Stelle der Steigwertzahlen.

Das mittlere Steigen wird ebenfalls ausgegeben. Damit kann nach der Sollfahrttheorie die Reisegeschwindigkeit für die verschiedenen Thermiknutzer abgeschätzt werden; diese hängt von der Polare des zur Verfügung stehenden Gerätes ab. Der Bedeckungsgrad durch Cumuli erscheint in einer weiteren Spalte als Folge von *, 4/8 Cu z.B. als ****. Die Basishöhe der Cumuli und ihre Obergrenze wird als Zahlenwert ausgegeben, bei Trockenthermik erscheint nur eine Höhenangabe.

Die weiteren Angaben über Wolken und Turbulenz stammen aus den numerischen Modellen der grossräumigen Wetterentwicklung. Unter dem Titel «Wolken» erscheint eine Angabe der Gesamtbewölkung, die tiefe, mittlere und hohe Wolken umfasst. Pro Achtel wird ein / dargestellt. Als letzte Spalte wird die Zerrissenheit der Thermik angegeben. Eine fehlende Angabe bedeutet eine Windstärke in der Thermikschicht unter 10 Knoten, von 10 bis 24 Knoten erscheint ein m (mässig zerrissen), ab 25 Knoten s (stark zerrissen).

Mit dem zeitlichen Verlauf all dieser Angaben kann der Beginn der nutzbaren Thermik abgeschätzt werden, ebenso das Thermikende. Der Vergleich der Thermikentwicklung in benachbarten Regionen kann auch Hinweise über die beste Flugrichtung für Streckenflüge geben.

Entstehung von Alptherm
Alptherm entstand durch die Arbeiten von Bruno Neininger und Olivier Liechti, beide Atmosphärenphysiker und Segelflieger. Bruno Neininger gewann 1979 und 1981 durch Ballonsondierungen im Goms quantitative Vorstellungen darüber, wie die Aufheizung in einem inneralpinen Tal vor sich geht. Seine erarbeiteten Aufheiztabellen dienten während Jahren als Grundlage für die lokalen Thermikprognosen des Alpinen Segelfluglagers Münster VS. 1985 trug er seine Erkenntnisse am Kongress der OSTIV (Organisation Scientifique et Technique Internationale du Vol à Voile) in Hobbs (USA) dem Fachpublikum der Segelflugmeteorologen vor. Als er 1989 in Fiesch als Meteorologe der Delta-WM wirkte, unterschätzte er an einem Tag die Thermikhöhe so krass, dass er an die Modellierung der Thermik zu denken begann, um das Durchstossen von Inversionen in den Griff zu bekommen. 1991 nahm er sich schliesslich die Zeit, seine Ideen als Computerprogramm zu formulieren. Olivier Liechti übernahm die Validierung des Modells und die Entwicklung zu einem operationellen Werkzeug für den Wetterdienst. Am OSTIV-Kongress 1993 in Borlänge (Schweden) wurde Alptherm dem Fachpublikum vorgestellt. Die Arbeit wurde mit dem OSTIV-Diplom für den besten meteorologischen Beitrag ausgezeichnet. Im Winter 1994/95 wurde Alptherm an das Schweizer Modell der SMA angekoppelt, um ab der Saison 1995 operationelle Thermikprognosen zu liefern. Seit 1997 läuft Alptherm als Workstationversion, ab 1998 wird das Modell unter dem Namen «Toptherm» beim Deutschen Wetterdienst für die flächendeckende Thermikvorhersage eingesetzt.

Olivier Liechti

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