Numerische Wettervorhersage und Luftfahrt-spezifische Produkte des DWD in den Jahren 2014 bis 2020 - Deutscher Wetterdienst
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Numerische Wettervorhersage und
Luftfahrt-spezifische Produkte des
DWD in den Jahren 2014 bis 2020
Detlev Majewski (e-mail: Detlev.Majewski@dwd.de)
Leiter der Abteilung Meteorologische Analyse und Modellierung
Foto:
C. Hinz, DWD
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
Übersicht
Der Vorhersageprozess im DWD und seine Komponenten
Das numerische Wettervorhersagesystem (NWV-System) des DWD im
September 2014
Datenassimilation und die Verwendung von Satellitendaten
Das neue Modellsystem ICON für globale und regionale Vorhersagen
Entwicklung des Integrierten Vorhersagesystems (IVS)
Luftfahrt-spezifische Produkte (global, lokal)
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
Der Wettervorhersageprozess
Beobachtung Analyse / Vorhersage (0–2h; 2h–7 Tage) Post-Processing Meteorologe Kunden
Auswertung von
Fernerkundungs-
daten (Satelliten, Nowcasting (0–2h)
Radar) Flugwetterdienst
Fachverfahren Arbeitsplatz-
Objekt-basiert; systeme
Numerische
„lineare“ Extrapolation +
Wettervorhersage
(2h – 7 Tage) Produktion
Datenassimilation, Beratungen,
Dynamik, Physik, 5 LBZn
Ensemble-System
Basisvorhersage
Modell-Post-
Processing und
Anschlussverfahren NinJo,
PTP, MOSMIX, Omedes, Warnungen,
SWIS, ADWICE, AutoWARN, VBZ, 6 RWBn
ICON,
AutoTAF, OOG, NinJo-Batch
COSMO-DE,
COSMO-DE-EPS AutoWARN
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
Das numerische Wettervorhersagesystem
(NWV-System) des DWD im September 2014
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
Das deterministische NWV-System des DWD im September 2014
0. 10 15 20 2 3 35 4
00 500 00 00 00 500 000 00 000
0
GME Δx = 20 km COSMO-EU Δx = 7 km COSMO-DE Δx = 2.8 km
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
Das deterministische NWV-System des DWD im September 2014
Bewölkungsprognose von GME
(oben) und COSMO-DE (unten)
COSMO-DE Δx = 2.8 km
COSMO-EU Δx = 7 km
GME Δx = 20 km
0. 10 15 20 2 3 35 4
00 500 00 00 00 500 000 00 000
0
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
Die 20 “Member” des Ensemble-Vorhersagesystems COSMO-DE-EPS
00, 03, …, 18 und 21 UTC + 27h
bald (für EE-Prognosen):
03 UTC + 45h
1 2 3 4 5
IFS
GME
GFS
BC-EPS
GSM
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
06.08.2013 00 UTC: 27-stündige Niederschlags-
vorhersagen des COSMO-DE-EPS mit 20 Membern
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Datenassimilation und die Verwendung von
Satellitendaten
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
ATOVS von polar umlaufenden Satellliten
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014AMV Winde
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Scatterometer Winde
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Wintersturm Nicolas Feb. 2011 Mittlere Windgeschwindigkeit (m/s) und Bodendruck (Isolinien; hPa, auf Meeresniveau reduziert) Oben rechts: Verifizierende Analyse Oben links: Operationelle 42-h Prognose des Globalmodells GME Unten links: Vorhersage ohne Assimilation von Satellitendaten Unten rechts: Vorhersage ohne Assimilation der METOP-Daten. Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014
Das numerische Wettervorhersagesystem
(NWV-System) des DWD im Herbst 2015
und
das neue Modellsystem ICON
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Das NWV-System des DWD im Herbst 2015
Global-Modell ICON ICON Nestgebiet Europa COSMO-DE (-EPS)
Maschenweite: 13 km Maschenweite: 6.5 km Maschenweite: 2.2 km
Schichtenanzahl: 90 Schichtenanzahl: 60 Schichtenanzahl: 65
Vorhersagefrist: Vorhersagefrist: Vorhersagefrist:
180 h von 00 und 12 UTC 120 h von 00, 06, 12 und 18 UTC 27/45 h at 00, 03, 06, 09,
120 h von 06 und 18 UTC Gitterfläche: 43 km2 12, 15, 18, 21 UTC
Gitterfläche: 173 km2 plus ein militärisches Nestgebiet Gitterfläche: 5 km2
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014ICON Modellsystem („Modelling Framework“)
Umwelt-
vorhersage
Wetter- Klima-
vorhersage projektion
ICON
global regional
Multi-
Skalen
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Gittergenerierung basiert auf dem Ikosaeder
R2B00 R3B00
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Statische Maschenweitenverfeinerung
Effektive Maschenweite Globales Regionales
(Gitterpunktsabstand): Gebiet Gebiet
∆x ≈ 5050 / ( n 2k ) [ km ]
Beispiel:
R3B7: n = 3, k = 7
Maschenweite: 13 km
Globales Gitter besteht
aus 2.9 Millionen
sphärischen Dreiecken.
Regionales Gebiet wird
höher aufgelöst.
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014ICON-Orographie für
Europa
Maschenweite: 6.5 km
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014RMSE des reduzierten Bodendrucks Europa, Januar 2014
Rot: ICON; blau: GME-Referenzexperiment (40 km, L60)
Reduktion des RMSE
ICON vs. GME
R3B7N8_EUR (Maschenweite: 13 km global und 6.5 km für Europa)
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014COSMO-MUC und COSMO-MUC-KENDA
(Hoch auflösendes numerisches Wettervorhersagemodell mit
Ensemble-Datenassimilation für den Flughafen München)
als Prototypen des
Integrierten Vorhersagesystems (IVS)
Ingo Sölch
DLR-IPA, Oberpfaffenhofen, Germany
Heiner Lange, Tijana Janjic Pfander, George C. Craig
Hans Ertel Center for Weather Research
Data Assimilation Branch
Deutscher Wetterdienst/LMU Munich, Germany
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Integriertes Vorhersagesystem (IVS)
Für Nowcasting (0 – 2h) und Kürzestfristvorhersagen (2 – 6/9/12 h) werden zurzeit in den
Wetterdiensten unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
Nowcasting:
Struktur-basiert, z.B. Erkennung von konvektiven Zellen in Radarbildern; Abschätzung von
Verlagerungsrichtung und Geschwindigkeit; „lineare“ Extrapolation der erkannten Objekte.
Update-Rate für neue Vorhersagen ~ 5 bis 15 min.
Kürzestfristvorhersage:
Modell-basiert; Analyse des Anfangszustandes auf der Grundlage möglichst vieler
hochauflösender Beobachtungsdaten; Lösung der hydrodynamischen Gleichungen in einem
die Atmosphäre (und die Unterlage) auflösenden 3D-Gitter.
Update-Rate für neue Vorhersagen ~ 3 h.
Integriertes Vorhersagesystem (IVS):
Kombination der beiden Ansätze, um ein aus Nutzersicht „nahtloses“ (seamless)
Vorhersageprodukt von 0 bis 6 (12) h mit häufiger Update-Rate (≤1 h) bereit zu stellen.
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014COSMO-MUC – Hochaufgelöste NWV für verbesserte
Prognosen am Flughafen MUC
COSMO-MUC ist eine hochaufgelöste, regionalisierte Version des COSMO-DE Modells, um eine
kontinuierliche hohe Vorhersagegüte im Bereich der Kürzestfristprognose zu gewährleisten.
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Hochaufgelöste Darstellung der lokalen
Orographie und Landnutzung
Eine detaillierte Darstellung der lokalen Orographie, Bodenbeschaffenheit und
Landnutzung können lokale Strömungsphänomene besser auflösen.
Region um MUC:
Isarhochufer
München
COSMO-MUC @ 1.4 km COSMO-DE @ 2.8 km
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014MODE-S EHS Data
High observational coverage: for example May 2014 within COSMO-DE domain, 47 356
AMDAR-Reports and 4 843 429 Mode-S Reports in SKY-Database of DWD. Data primarily at
levels 10 to 12 km.
Accuracy: Corrected data (KNMI): Similar quality of Mode-S EHS and AMDAR above 800hPa
for wind, STD below 800 hPA: Mode-S EHS 2 m/s, AMDAR 2-2.5 m/s. Temperature STD
larger than AMDAR. Bias assumed negligible for both (S. de Haan).
MODE-S horizontal coverage (left) and height distribution of data for COSMO-DE domain (middle) and
COSMO-MUC domain [47,50] x [9.5,13.5] (right) on 26 April, 2014. Middle and right panel produced from
feedback files.
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Globale Luftfahrt-spezifische Produkte
Basierend auf ICON-Analysen und –Vorhersagen
Interpoliert auf reguläres geographisches Gitter
Wind, Temperatur, Bewölkung, Konvektion
Vereisung
Turbulenz (siehe Vortrag A. Barleben!)
Vulkanasche, Staub (z.B. Sahara, arab. Halbinsel)
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Vorhersagen von Vereisung (ADWICE)
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Prognose & Diagnose von Flugzeugvereisung mit ADWICE
3D Modelldaten aus COSMO-EU /
Beobachtungsdaten (nur Diagnose)
ICON (für Vertikalinformationen &
SYNOP + METAR + RADAR + SATELLIT
Prognose bis T+78h)
- Temperatur
- Druck
- Feuchte
- Konvektionsraum
Algorithmen für
Vereisungsszenarien
Vereisungsprodukt für
verschiedene
Höhenniveaus, bspw. in
www.flugwetter.de
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Verwendete Satelliten-Produkte (www.nwcsaf.org):
Wolkenmaske: Wolkenphase: Wolkenobergrenzen-
Wolke erkannt? flüssig? temperatur :
T > -20°C?
Wolkenobergrenzenhöhe:
Höhe der Vereisung
Entfernung von Vereisung Höhenkorrektur Hinzunahme Vereisung
Verifikationsstudien über Europa & den USA zeigen eine Reduktion des
“overforecastings” von >16%, wobei sich die Trefferrate nicht verschlechtert!
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Deutscher Wetterdienst
GRAUPEL
PRECIPITATION MIXED-PHASE
NUCLEATION CLOUDS CCN SEA SALT PM2.5
ACTIVATION WARM-PHASE
WATER ICE
INDIRECT EFFECT
COLD-PHASE
MINERAL DUST
BIOLOGICAL
INTERACTION IN SEDIMENTATION NITRATE
CONVECTION
TURBULENCE VOLCANIC ASH AEROSOLWASHOUTDYNAMICS
TRACERTRANSPORT SULFATE ANTHROPOGENIC
FEEDBACK DIRECT EFFECT
RADIOACTIVE TRACER DIFFUSION AEROSOL OPTICAL DEPTH WILDFIRES
PHOTOLYSIS HYDROXIDE EMISSIONS SOOT
GAS PHASE CHEMISTRY
VOLATILE ORGANIC CARBONS SULFUR DIOXIDE CARBON DIOXIDE RADIATION
OZONE PM10
AIR QUALITY NITROGEN OXIDES AMMONIUM DEPOSITION
ICON-ART für Vulkanasche, Saharastaub und
radioaktive Partikel
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Emission of Volcanic Ash
• Source strength, source height, temporal development
• Updated at every advection time step before the tracer advection
• Input file: „name“ „lon(°N)“ „lat(°E)“ „active“ „source strength“ „source height“
• Gaussian distribution of source strength…
as a function of plume height (Mastin et al. 2009),
measured size distribution (Schumann et al. 2011)
Volcanoes of the World
Stohl et al. (2011)
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014ICON-ART Simulation von zwei (fiktiven) Vulkanausbrüchen
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Vorhersage der Ausbreitung von Sahara Staub
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Lokale Luftfahrt-spezifische Produkte
Flughafen-Wetter (NowCast Mix / ITWS)
Auto-TAF
Cross- und Tail-Wind Vorhersagen (COSMO-DE-EPS)
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014NowCastMix/ITWS (Integrated Terminal Weather System)
ITWS ist eine Abwandlung von NowCastMix für flugmeteorologische
Anwendungen
Ziel ist das Nowcasting konvektiver Ereignisse
Vorhersagezeit: 1h, Vorhersagezeitschritt: 5 min, Updaterate: 5 min
Projektstand: Evaluierung bei der LBZ Süd im Sommer 2013 (quasi-Routine)
Routinebetrieb Anfang 2014
Beispiel einer NowCastMix/ITWS-Vorhersage:
‚Radarzellen‘ (keine Blitze) in blau,
konvektive Zellen (mit Blitzen) in
4 Intensitätsstufen (gelb, orange, rot, violett)
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014AutoTAF
DWD-Routineverfahren auf Basis von Model Output Statistics (MOS)
MOS-Guidance und TAF-kodierte Flugplatzvorhersagen
Basismodell: IFS (seit 15.10.13), SYNOP/METAR, Radar/Blitzdaten europaweit
600 weltweite Flughäfen und Synopstationen
Kunden: WV2, Bundeswehr, europ. Flugwetterdienste (Met Alliance)
EuroControl
European Organisation for the Safety of Air Navigation
Der DWD liefert operationelle Vorhersagen aus dem AutoTAF-System für die 16
deutschen internationalen Flughäfen an das Met Office OpenRunway Briefing-
System (Web-basiert).
Projekt „GUSTAF“
Nutzung der DWD AutoTAFs für Flüge zu GUS-Destinationen bei der Deutschen
Lufthansa aufgrund minderer Qualität der GUS-Wettervorhersagen (TAFs).
Das Projekt befindet sich in der Phase der vergleichenden Verifikation und Klärung
juristischer Fragen zur Nutzung.
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014LuFo-WeAC (Wetterinformationen für ATM und CDM)
Projektziel: Prototyp eines Wetterdatenservers für Air Traffic Management und
Collaborative Decision Making
Projektleitung: SELEX
Projektlaufzeit: 01/2013 – 03/2015
DWD (FEZE): Nowcasting für konvektive Ereignisse (aus ITWS) und Winterwetter
DWD (TI): Umsetzung der Vorhersagen in luftfahrtspezifisches XML-Format
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Frankfurt/Main Airport
Runway Northwest:
landings only
operational
direction: east
-5 kn
operational
direction: west parallel runways:
landings and take-offs
-15 kn Runway West:
take-offs only
critical tailwind component
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014iPort Wiwi Concept
1) COSMO-DE-EPS 2.8 km 2) Product generation
Customer-oriented probabilistic
forecasting products
3) Calibration
5) Decision making with prob. forecasts
chance for e.g. 4) Visualisation
categorical
tail wind > v crit
decision
longer than 1 hour
N
250°
change of runway
YES or NO Which critical probability?
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014iPort WiWi Products
Developing products corresponding to the customer‘s requirements
Regular meetings with forecasters and air traffic controllers
Forecasts for 10 m wind and at glide path points up to 1500 m
Ensemble mean as
deterministic forecast
Exceedance probabilities
Tailwind +5, -5, -8, -10,
-15 kn
Crosswind ± 20 kn
Selected quantiles
Products based on calibrated
distribution
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Weiterentwicklung des NWV-Systems in den
Jahren 2014 bis 2020
Stetiger, kontinuierlicher Verbesserungsprozess (KVP), vor allem in den
Bereichen Datenassimilation (u.a. die Einbeziehung von Radar- und
Satellitendaten), numerische Verfahren und physikalische Parametrisierung.
Große (längerfristige) Entwicklungsschritte sind:
1. Erhöhung der Anzahl der COSMO-DE-EPS Member von 20 auf 40
2. Ersatz von GME und COSMO-EU durch ICON Global/Nest Europa
3. Ensemble-Datenassimilation (EDA) für ICON und COSMO-DE
4. Globales Kurzfrist-Ensemble-Vorhersagesystem ICON-EPS
5. Ersatz des COSMO-Modells durch den regionalen Modus von ICON
6. Integriertes Vorhersagesystem (IVS) für Nowcasting und Kürzestfrist
für Deutschland und Anrainerstaaten
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Haben Sie Fragen?
Abteilung Flugmeteorologie – Luftfahrt-Kundenforum 18.09.2014Sie können auch lesen
