Produktentwicklungen für die Luftfahrt - Es gilt das gesprochene Wort NCM-Winterwetter
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Es gilt das gesprochene Wort
Produktentwicklungen für die Luftfahrt
NCM-Winterwetter
NowCastSat-A
iCONv
NowCast-Turb
NowCastMix-A Turbulenz-EDP-EDPP
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021
WebFeatureService des DWD
Client https://maps.dwd.de/geoserver
GetCapabillities
(extern,MAB,NinJo) Layer
…
DescribeFeatureType dwd:ICON-Turbulenz-Polygone
…
Spatial DB
SQL LARS/LEON
GetFeature
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Nowcasting and Forecasting
B
e
o
Nowcasting: Kürzestfrist (1-2h); Bildet aktuelle Beobachtungen ab, welche mittels Berechnung der
b Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung verlagert werden, ohne wesentliche Änderungen des Wetters selbst.
a
c
Numerische Wetter-
h Daten Assimilation= Vorhersage mit ICON =
t
Beobachtungen zur T=0 bis zu
u Bestimmung des T =6,12,18,24,…48 …
n Anfangszustandes der
Prognose
Stunden
g
Anfangszustand für Lösung der Modell-
jeden Gitter Punkt Gleichungen für jeden
Zeitschritt
Die numerische Wettervorhersage (NWV) verwendet mathematische Modelle der Atmosphäre und der Ozeane,
um das Wetter auf der Grundlage der aktuellen Wetterbedingungen vorherzusagen.
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Numerische Wettervorhersage und
Modellgitter
Parametrisierungen; nicht vom Modell aufgelöst
1km – 100m
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Turbulenz Vorhersage - Idee des Verfahrens
Erweitert um Quelltherme (für Flugzeugturbulenz) in der TKE Gleichung mittels
Konzept der Skalentrennung Goecke, T., & Machulskaya, E. (2021). Aviation Turbulence Forecasting at DWD with ICON:
Methodology, Case Studies, and Verification, Monthly Weather Review, 149(7), 2115-2130. Retrieved Nov 2, 2021
Time
Turbulence SHS SCV SOW
tendency
of TKE = MY82(PBL) + (~CAT) + (~CIT,ICT) + (~MWT)
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EDP im EFB/FlightProfileOptimizer und
in NinJo (DWD)
LH-1352 Frankfurt-Warschau 05.11.2020; Pilot: „wo die Vorhersage wieder sehr gut gepasst hat und auf den SixWx-charts
nichts vermerkt war. Ob nun wirklich Sev-Turbulenz vorhanden gewesen wär, mag ich nicht beurteilen, aber mit Annäherung an das Mod-Gebiet haben wir Lgt-Mod Turbulenz vernommen
und bereits früher den Sinkflug eingeleitet“
EDP mod/sev
to sev FL390
near EPWA
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EDP in NINJO und DLH-EFB prototypisch
04.01.2018 18 UTC (Sankt Lorenz Strom)
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Operative Umsetzung im ICON und
weitere Planungen
Skalierung des Modelloutputs auf EDR-Messungen; EDP=0.15, 0.22, 0.34 0.45 m⅔ /s
EDPP-robability (71 Mrd. Einzelwerte/Lauf)
30 Druckflächen zwischen FL100 und 450 (t+36/48h)
SIGMET-Erstellung
Versorgung Provider
Entwicklungsziele :
-Turbulenz an der Tropopause und MWT
(3D Scherterm; Transport)
-Verifikation EDR vs.global EDP,(ECMWF)
-EDP im lowerFIR f(TAS)
-EDP f(Gewicht Flugzeug)
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NowCastTurb
Berechnung des Scherterms (aus der tke-Gleichung) mittels motion vector(optischer
Fluss aus Satellitenbildern) Axel Barleben, Stephane Haussler, Richard Müller, Matthias Jerg: "A Novel Approach for Satellite-Based
Turbulence Nowcasting for Aviation", Remote Sensing, 2020, 12, 2255: https://www.mdpi.com/2072-4292/12/14/2255
SHS=c₁ Dh² (S/N)⁸ʹ³ (√((1.6268DIV)² + DEF²) – 1.6268 DIV)³
EDP = c ³√SHS DWD: Raschendorfer/Zängl
WV Kanäle sensitiv für Feuchte Differenzen in :
6.2 µm mittlere/höhere Troposphere (FL250-350)
7.3 µm mittlere/untere Troposphäre
=> NC-Turb Nowcasting 2D Fläche (ein FL im lUIR)
Semitransparente Wolken (vs. optisch dichte) bester
Indikator für MV, weil sie Strahlungsgradienten
repräsentieren, die leicht zu verlagern sind
aber Turbulence Top Height ?
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021
TTH mit BT intercept method
(Szjewach1982/Nieman1992)
Algorithmus: Strahlungswerte einer Wolkenschicht für zwei Spektralbänder (IR10.8,
WV62) variieren linear mit der Wolkenmenge.
gemessene BT (10.8,6.2) werden verglichen mit der Strahlung eines schwarzen
Körpers in Abhängigkeit vom CloudTopPressure (Strahlungstransportmodell);
gemessene=kalkulierte Strahlungen für wokenlos und optisch dicht; dazwischen
Schnittpunkt gemessene BTs mit berechnete Strahlungskurve
Mit Messungen statt STM : optisch dicht WV62-WV73>-1;
RADIOSONDE Messung CTH,RelHum>85%;
kälteste BT_IR108; Best Fit T_108 ~ T_CTH_temp
Dort Druckhöhe (ISA FL); BT108, BT62, BT73
Schnittpunkt Fläche der BT‘s mit Geradengleichung
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021NC-Turb EW8855 (BFU)
Schwere Turbulenz nahe
Cottbus A319 Eurowings
https://www.bfu-
web.de/EN/Publications/Investigation%20Report/2019/FR
eport_19-1258-
1X_A319_Cottbus_Turb.pdf?__blob=publicationFile
model run 09.09.2019 06 UTC and the forecast
after 8 hours with severe-extreme EDP forecast
(up to 0.44 m^2/3 per s). The plumb line points to
51.22N/14.31E the accident area~FL250
Nowcasting Turbulenz
Nowcast-Turb 9 September 2019, 14:45 UTC;
orange: moderate, red: severe, and blue: extreme
turbulence polygons. The black line corresponds to
the A319 track to Berlin. The arrow symbolizes the
area of incident. There severe turbulence in FL235
was detected. Transparent in green, yellow, and red
(color scale, see Figure 3): NWP ICON_EU model
EDP forecast 15 UTC in FL235 (400 hPa). Circular
dotted lines at a distance of 50 km, Berlin lies in the
center of the circles.
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Turbulenzvorhersagen - Entwicklungsziel
bis zu vier Tools unterstützen; NWV :EDP/EDPP, Messung: EDR, NC-Turb
gewichteter EDP (Fuzzy-Zahl an Label)
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021NowCastMix-Aviation
James, P. M., Reichert, B. K., & Heizenreder, D. (2018). NowCastMIX: Automatic Integrated Warnings for Severe Convection
on Nowcasting Time Scales at the German Weather Service, Weather and Forecasting, 33(5), 1413-1433. Retrieved Nov 3, 2021,
from https://journals.ametsoc.org/view/journals/wefo/33/5/waf-d-18-0038_1.xml
Automatisierte radarbasierte Vorhersage der Konvektionsstärke für Mitteleuropa.
Nowcasting von vier Schwerestufen der Gewitterzellen für eine Stunde.
Horizontale Auflösung 1kmx1km, zeitlich fünf Minuten, Aktualisierung fünf-minütig.
Verschneidung verschiedener Eingangsgrößen und Verfahren mit Fuzzy-Logik und
Verlagerung der erhaltenen Zellen.
Hauptbestandteile Radar Reflektivitäten und Blitzortung.
Operationeller Betrieb seit Juni 2016 auf Basis des DE-Komposits (WX) und
seit Juni 2017 auf Basis des Europa-Komposit (EuRadCom).
Visualisierung im MAB-Portal per Geowebservice und Datenabgabe im xml-Format.
Nutzer: DFS (auch via Metfrog), Helikopterpiloten, LBZn, Towerlotsen, Flughäfen,
Eurocontrol.
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021NowCastMix-Aviation
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Hierarchie von Fuzzy-Logik-Regeln
Kombination mehrerer mit Unsicherheiten behafteter Eingangsdaten zu einer
einzigen Ausgabegröße („Entscheidungsbaum“)
Fuzzy-Logik wertet alle Eingangsdaten aus:
Wahrscheinlichkeiten der Gewitter-Eigenschaften
Konvektionsstatus nach Klassen von TS-Warnereignissen (Einteilung mittels
Schwere: Böen, Starkregen, Hagel) über Fuzzy am Zellzentrum der Objekte
Beispiel NCM Eingangsdaten für Warnereignisse, Paul James
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021VIL =>NCM-ERC Beispiel
(seit 2018 operativ)
11.08.2017 Westpolen MCS Orkan-Böen 80-100 Kt (links mit VIL, Stufe 4 extreme)
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021VIL =>NCM-ERC Beispiel
(seit 2018 operativ)
11.08.2017 Westpolen MCS Orkan-Böen 80-100 Kt
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021NCM-ERC und NinJo WMS-Layer
29.10.2018 12 UTC Lauf mit ~Analyse und Vorhersage nach 1 Stunde
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021NCM-ERC ab 2022 mit CTH/ETH(20dBz)
Beispiele 3.11.2021 11:50UTC
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021NCM-ERC ab 2022 mit CTH/ETH(20dBz)
Beispiele 3.11.2021 11:50UTC
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021NowCastMix-Winterwetter NCM-Ww
(Paul James)
Automatische Interpretation/Visualisierung 15-minütiger, radarbasierter
Vorhersagen der Schneefallhöhen (cm) bis 2 Stunden
RADAR-Tracking mit Hilfe Bilderkennungsverfahren liefert Verlagerung
FZRA-Erkennung implementiert
1x1 km Raster (900x900 Deutschland) grib2obj; obj2iwxxm (Polygone in xml-
Format) im MAB visualisiert; Abgabe über georeferenzierte Datenbank ( WFS,
als Vektordaten über Web Feature Service) möglich
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021HYMEC- Hydrometeorklassifikation
Polarimetrische Momente NG („near-ground“) wie ?
in Radarstrahlhöhe Feuchttemperatur
Schneefall TfHöhenkorrektur der Feuchttemperatur
höhenkorrigierte Feuchttemperatur verwendete Orografie
am Boden
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Niederschlagsart am Boden Hymec-NG
Interpolation Hydrometeor Erkennung Radarstrahlhöhe =>Höhe Orographie
mit Hilfe der Schmelzflächengröße im Vertikalprofil der Feuchttemperatur unter
Beachtung der Höhe der Radarmessung
Zusätzlich Anpassung der Feuchttemperatur aus COSMO-D2 mithilfe von
Bodenstationen (WST und GMA)
p p p p
0°C Jf 0°C Jf 0°C Jf 0°C Jf
h
Vertikalprofil Vertikalprofil
ohne Korrektur mit Korrektur
Vertikalprofil: Jf (p)
Radarstrahl
Schmelzfläche
0°C Jf,2m Jf,2m Jf
(WST,
(NWV)
GMA)
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Konvertierung Schmelzfläche
Hydrometeor in 2m über Grund
1 2
1+2
Schmelzflächengröße der
Hydrometeorklassifikation angepassten Vertikalprofile
in Radarsweephöhe der Feuchttemperatur
Niederschlagsart in 2m über Grund
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Weitere Eingangsgrößen NCM-Ww
Hymec-NG(HG): -ZVF Optischer Fluss
Niederschlagsart 2mü.G.
-fest/flüssig-RR,5 min,2h-Vhs
RX/FX
5min dBz
Vhs bis 2h
ZX:dBz-Bereiche
mit fester Phase
5min dBz Vhs bis 2h
RQ 1h RR-Menge RE Anteil RX/FX+ HG = ZX
Aus CW angeeicht+ % RR-fest in 0.85*RE*RQ= FS
RS aufsummiert RV RV/HG ,
5min, 2h-Vhs
FS Schneefallrate
cm/h 15 minütig,
Wasseräqivalent
[mm]*0.85= [cm]
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Entwicklungen Planungen NCM-Ww
Flughafen Kassel-Calden
606
WWDL38 EDVK 160415
EDVK AD WRNG 01 VALID
160415/161200 EDZF-
SNOWCOVER 4CM FCST=
Variante WV1_alt (cm/6h, gefallen+aktuell+nwv) => Nowcasting (~NCM-Ww)
NCM-Ww in SWISinfo (22/23?)
Hymec mit -Eliminierung Rauschen/nichtmeteorologische Echos (Insektenfilter), -Beseitigung von Inkonsistenzen
durch optimierte Schwellenwerte für Fuzzy Logik (z.B. Erhöhung Schwellenwerte Graupel), -VIL als weiterer Fuzzy
Parameter zum Eliminieren von Pseudo Graupel (Schneeregen und Graupel haben in der oberen Schmelzschicht die
gleiche Signatur), -Ableitung Schneefallgrenze aus korrigierten NWV Profilen (Tf Profil mit Tf Messung am Boden
korrigieren), -zusätzliche GMA Messungen (Straßenwetter NL CZ), -zeitliche Interpolation der NWV Daten auf 5
Minuten um Sprünge zu vermeiden
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Konvektionsnowcasting NCSAv1-GL
„Heute konnte ich in eWAS zum ersten Mal
das NowCastSAT anschauen und bin begeistert.
Es ist das erste Mal, dass wir hier in einer Flugwetter-
Applikation die Möglichkeit haben
ein Assessment für einen 2h-Timeframe
durchzuführen für konvektive Entwicklungen“.
Pilot A320 10.11.2021
Eingangsdaten: IR10.8,WV7.3,WV6.2 Satelliten Kanäle METEOSAT-11, GOES-16-17 and
HIMAWARI 8, NWP-model ICON, lightning (VAISALA)
Run alle 15 Minuten; Nowcasting (optischer Fluss) bis 2 h (EU,LINET)
CTH auch für semitransparente Wolken
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021NWV - Filter Müller, R.; Haussler, S.; Jerg, M. The role of NWP filter for the satellite based detection of cumulonimbus clouds. Remote Sens. 2018, 10, 386. Available online: https://www.mdpi.com/2072-4292/10/3/386 dichte/kalte Wolken(WV062 - WV073 >-1; Gewitter?) in nahezu in Echtzeit erkannt große Regionen mit Gewitterpotenzial mittels NWV ICON (KO < 2) ermittelt die erfassten Polygone bilden die unterste Schwelle der „leichten“Konvektion (grün). Da Gewitter immer mit optisch dichten, konvektiven Wolken verbunden sind, werden sie auch dieser leichten Intensitätsstufe zugeordnet. Blitze können räumlich getrennt vom oberen Teil eines Cumulonimbus auftreten.
Operationelle Umsetzung NCSAv1-GL
convection property threshold
Light shallow BT_WV062 – BT_WV073 > -1
convection or and KO 0.7
convection or or
overshooting BT_WV062 – BT_IR108 > 2
top and KOiCONv Icon Convection
WV24: Axel Barleben, Dr. Stephane Haussler, Dr. Matthias Jerg, FE23: Dr. Richard Müller, FE22: Dr. Guido
Schröder, FE14: Dr. Tobias Göcke and Dr. Ulrich Blahak
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Numerische Wettervorhersage der
Konvektion
LPI lightning potential index
NWV ICON CAPE Convective available potential energy
CIN Convective inhibition
HTOP_CON Height of convective cloud top
TCOND_MAX column integrated condensate
W_CTMAX vertical velocity (maximum value)
Output beschreibt RAIN_CON Convective rain
Konvektion RELHUM Relative humidity
DTKE_CON TKE due to sub grid scale convection
VMAX_10M Maximum wind at 10m
P Pressure
DBZ_CMAX Column Maximum Radar Reflectivity
ECHOTOP smallest pressure where 18dBz
CLCT Total cloud cover
TD_2M Dew point temperature at 2m above ground
TOT_PREC Total precipitation
Ensemble
Beobachtungs Prediction
Fehler Überschreitungs-
Wahrscheinlichkeit
Parametrisie- System 5 von 20 Membern
LPI>20 J/Kg
EPS
=> 25%
rungsfehler
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Konvektive „near storm environment“
Parameter
Gewitter begleitende und beschreibende Attribute , siehe auch Fuzzy Logic
Hierarchie in NowCastMix (10 Jahresstatistik und Erfahrung)
Blitze Niederschlag Reflektivität Wind Böen
(Hagel) NWV: NWV:
NWV:LPI NWV:TOT_PREC DBZ_CMAX VMAX_10M
Leichte
Mäßige
Starke
Konvektion
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Lightning Potential Index
Lightning Potential Index (LPI) ist ein Maß für die potenzielle Ladungstrennung,
die zu Blitzen in konvektiven Gewittern führt.
Ladungstrennung korreliert mit Aufwind und „Wolkenmikrophysik“ zwischen 0
und -20°C, d.h. Kollision von Eis-und Graupelteichen in Gegenwart von
unterkühltem Wasser (Kg/Kg Mischungsverhältnis)
LPI ist definiert als das Volumenintegral des Massenstroms von Eis und
flüssigem Wasser in einer sich entwickelnden Gewitterwolke
LPI_CON_CI_MAX (EU) LPI_MAX (D2)
QC Cloud
QG Graupel
QI Cloud ice
QR Rain
QS Snow
LPI* [tanh(-2{KOI-1})+1]/2
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021MCS (Mesozyklone) nahe Lyon 12.08.2021
ICON-EPS (EU transparent) probability of exceedance Low Moderate High
EU: LPI_CON_CI_MAX (Guido S.) >20 J/Kg 10 % 30% 60%
D2: LPI_MAX (Ulrich B.) > 5 J/Kg 10% 20% 30%
D2: TOT_PREC hourly > 5 mm 15% 30%
Modell Lauf EU-EPS 12.08. 00 UTC ; D2-EPS 12 UTC; Vhs bis 18 UTC
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Danke für‘s Zuhören
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Bild-Quellen
Folie 1: Hintergrundbild: © hlxandr – stock.adobe.com
Bilder zu Produkten: © DWD
Folie 2: Spatial DB LARS/LEON: © DWD
Graphik NowCastMix-Aviation: © DWD
Screenshot Smartphone: © Axel Barleben
Folie 3: 3er SAT-Bild: © DWD
4er SAT-Bild mit Polygonen: © DWD
Folie 4: Flugzeug: © DWD
Folie 5: Graphik: © DWD
Folie 6: Bild EDP: © DWD
Folie 7: EFB: © DWD
Folie 8: Graphik: © DWD
Darstellung EDP global: © DWD
Folie 10: Graphik: © DWD
Folie 11: NowCastTurb: © DWD
Folie 12: Turbulenzvorhersagen: © DWD
Folie 14: NowCastMix-Aviation Konvektionsstatus und Input: © DWD
Folie 15: Graphiken und Tabellen: © DWD
Folie 16: Beispiel NCM-ERC: © DWD
Folie 17: Beispiel NCM-ERC: © DWD
Folie 18: NCM-ERC, Darstellung mit NinJo: © DWD
Folie 19: NCM-ERC mit CTH/ETH: © DWD
Folie 20: NCM-ERC mit CTH/ETH: © DWD
Folie 21: NCM-Ww: © DWD
Folie 22: Graphik Feuchttemperatur: © DWD
Radar: © DWD
Folie 23: Beispiel zu HYMEC, Höhenkorrektur der Feuchttemperatur: © DWD
Folie 24: Graphiken: © DWD
Folie 25: Graphiken Hydrometeoklassifikation: © DWD
Folie 26: Graphik: © DWD
Folie 27: Bild NCM-Ww: © DWD
Analysekarte: © DWD
Folie 28: NCS-Av1-Gl: © DWD
Folie 29: NWV-Filter 3er Graphik: © DWD
Graphik konvektive Zellen: © DWD
Folie 30: Bild NCS-Av1-Gl: © DWD
Folie 31: Gewitterbild: © JSirlin – stock.adobe.com
Folie 32: Weltkugel mit Modellgitter: © DWD
Folie 33: Bilder Blitze, Niederschlag, Reflektivität, Wind Böen: © DWD
NCS-A Beispiel Graphik: © DWD
Folie 35: Mesozyklone nahe Lyon: © DWD
Folie 36: Kollage NinJo: © DWD
Enteisung eines Flugzeuges: © chalabala – stock.adobe.com
Bild Cockpit: © stock.adobe.com
WV24 Axel Barleben, Luftfahrt-Kundenforum 02.12.2021Sie können auch lesen
