COSMO-Prognosesystem

Prognosesysteme berechnen den zukünftigen Zustand der Atmosphäre. MeteoSchweiz nutzt das numerische Wetterprognosemodell COSMO (Consortium for Small-Scale Modelling) für die Produktion von lokalen und regionalen Vorhersageprodukten in den topographisch anspruchsvollen Alpen und der ganzen Schweiz. Das Modell unterstützt die Meteorologen auch bei Sturm- und Überschwemmungswarnungen.

Wie sich das Wetter verhält, lässt sich dank komplexer Computermodelle simulieren. MeteoSchweiz setzt dazu das numerische Wettervorhersagemodell COSMO ein, das mehrmals täglich hochaufgelöste Wettervorhersagen für Europa mit besonderem Schwerpunkt auf dem Alpenraum berechnet.

Im Prognosemodell COSMO wird der zukünftige Zustand der Atmosphäre detailliert berechnet, vom Boden bis in rund 20 Kilometer Höhe. Die Berechnungen umfassen zudem die Entwicklung der Schneedecke, der Seetemperaturen und der Bodeneigenschaften. Das Modell wird in enger internationaler Zusammenarbeit weiterentwickelt.

COSMO: ein numerisches Wettervorhersagemodell

Ein numerisches Wettervorhersagemodell beschreibt Prozesse, die in der Atmosphäre und an der Erdoberfläche stattfinden. Es basiert auf physikalischen Gesetzen, etwa Energieerhaltung, Massenerhaltung, Impulserhaltung, Phasenübergänge von Wasser und Strahlungsprozesse.

Mit der Übergabe passender Anfangs- und Randfelder kann der zukünftige Zustand der Atmosphäre rechnerisch ermittelt werden. Auf diese Weise können viele atmosphärische Prozesse auf zeitlich und räumlich unterschiedlichen Skalen beschrieben werden (z.B. Entwicklung eines Tiefdruckgebietes, Schneefall, Föhn, Konvektion). Die Berechnungen erfolgen auf einem dreidimensionalen Gitter. Die vertikalen Abstände zwischen den Gitterpunkten sind in geringeren Höhen kleiner als in grossen Höhen, um bodennahe Phänomene besser beschreiben zu können.

Die COSMO-Modelle

Numerische Wettermodelle, die den ganzen Globus abdecken, sind zu ungenau, um regionale oder sogar lokale Prognosen zu erstellen. Die Wettervorhersagen für die Schweiz mit ihrer komplexen Topographie stützen sich deshalb auf kleinräumige Modelle. MeteoSchweiz betreibt Modelle mit unterschiedlicher Auflösung für verschiedene Zielsetzungen. Als Auflösung wird der Abstand der Gitterpunkte bezeichnet, für welche die Wetterparameter berechnet werden.

  • COSMO-1: Modell für die kurzfristige Vorhersage für den aktuellen und den nächsten Tag. Der Abstand der Gitterpunkte beträgt 1.1 km.
  • COSMO-E: Dieses Modell berechnet eine probabilistische Vorhersage, also Eintretenswahrscheinlichkeiten für bestimmte Wetterereigisse, bis zu fünf Tagen im Voraus. Der Abstand der Gitterpunkte beträgt 2.2 km.
  • COSMO-7: Hier beträgt der Abstand der Gitterpunkte 6.6 Kilometer. Die Produkte von COSMO-7 werden bis zu drei Tage im Voraus erstellt und decken Mittel- und Westeuropa ab.

Das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) liefert eine globale Vorhersage. Diese wird als Randbedingung für die regionalen COSMO-Modelle genutzt.

Berechnung der COSMO-Modelle am CSCS

Alle Berechnungen erfolgen am Swiss National Supercomputing Centre (CSCS) in Lugano auf einem massiv-parallelen Cray Rechner. COSMO-1 Vorhersagen reichen bis 33 Stunden in die Zukunft und werden achtmal täglich, alle drei Stunden, gestartet. Die erste Berechnung beginnt um 00.45 UTC. COSMO-E Vorhersagen reichen bis 120 Stunden in die Zukunft und werden zweimal täglich gestartet, um 00.45 und 12.45 UTC.

Darüber hinaus wird im Assimilationszyklus alle drei Stunden eine neue Analyse mit dem COSMO-Modell  berechnet. Diese Analyse bildet den Anfangszustand der Vorhersagen. Dabei rechnet das Modell im Nachhinein und nutzt alle Beobachtungen am Boden und vor allem in der freien Atmosphäre, um den Zustand der Atmosphäre bestmöglich zu beschreiben. Bei COSMO-1 werden auch die Radardaten assimiliert, die einen grossen Mehrwert für die kurzfristige Vorhersage («Nowcasting») geben.

Nowcasting

Mit Nowcasting liefert MeteoSchweiz räumlich und zeitlich hochaufgelöste Vorhersagen der Wetterentwicklung der nächsten Minuten bis maximal sechs...

Verarbeitung von 35‘000 Informationen während 24 Stunden

Passende Anfangs- und Randfelder, um ein Modell zu starten, erhält man durch eine Kombination von Beobachtungsdaten, vorangegangenen Modellläufen und klimatologischen Informationen. Die Einbindung dieser Daten in den aktuellen Modelllauf nennt man Assimilation. Der Assimilationszyklus verarbeitet pro Tag Informationen von rund

  • 100 Radiosondierungen
  • 3'500 Flugzeugbeobachtungen
  • 31'000 Stationsbeobachtungen
  • 700 Windprofiler-Messungen.

COSMO-1 verarbeitet zusätzlich täglich 7'000 Bilder aus dem Regen-Radar, um Prozesse der Gewitterbildung besser darstellen zu können.

Über 4 Billiarden Rechenoperationen für eine Prognose

Die Prognose mittels numerischer Wettervorhersagemodelle stellt hohe Anforderungen an die Rechenleistung. Typischerweise sind für eine 24-Stunden-Prognose des COSMO-1-Modells über 4 Billiarden Rechenoperationen notwendig. Diese müssen innerhalb von 24 Minuten ausgeführt werden. Es ist unter anderem auch die stetige Entwicklung schneller Supercomputer in den letzten 50 Jahren, die eine ständig wachsende Genauigkeit numerischer Wettersimulationen ermöglicht.

Der Vorteil einer höheren Auflösung wird in komplexem Terrain deutlich, wie das folgende Beispiel einer Simulation des Windes zeigt.

Erfolgreiche internationale Zusammenarbeit

Damit die Wetterprognosen in Zukunft noch präziser werden, entwickelt MeteoSchweiz das numerische Vorhersagemodell COSMO in internationaler Zusammenarbeit stetig weiter. Die nationalen Wetterdienste von Deutschland, Griechenland, Italien, Polen, Rumänien, Russland und der Schweiz arbeiten im Rahmen des Consortium for Small-Scale Modelling eng zusammen. Dieses Konsortium wurde im Oktober 1998 gegründet mit dem Ziel, ein nicht-hydrostatisches, regionales atmosphärisches Modell zu erhalten und zu verbessern. Dieses Modell wird operationell und für Forschungszwecke genutzt.

COSMO

MeteoSchweiz arbeitet im Konsortium für kleinskalige Modellierung (COSMO) mit anderen nationalen Wetterdiensten in Europa zusammen.

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