COSMO-Prognosesystem

Prognosesysteme berechnen den zukünftigen Zustand der Atmosphäre. MeteoSchweiz nutzt das numerische Wettervorhersagemodell COSMO (Consortium for Small-scale Modeling) für die Produktion von regionalen und lokalen Vorhersageprodukten im topographisch anspruchsvollen Alpenraum. Die verschiedenen bei MeteoSchweiz eingesetzten Konfigurationen von COSMO sind – zusammen mit den Vorhersagen des EZMW - die Basis für die täglichen Wettervorhersagen der MeteoSchweiz und die Warnungen der Meteorologen bei ausserordentlichen Wetterlagen wie Sturm- und Niederschlagsereignissen.

Wie sich das Wetter entwickelt, lässt sich dank komplexer Computermodelle simulieren. MeteoSchweiz setzt dazu das numerische Wettervorhersagemodell COSMO ein, das mehrmals täglich hochaufgelöste Wettervorhersagen für den 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 Bodeneigenschaften, der Schneedecke und der Seetemperaturen. 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 wie Energieerhaltung, Massenerhaltung und Impulserhaltung und simuliert Phänomene wie die Phasenübergänge von Wasser und Strahlungsprozesse.

Basierend auf passenden Anfangs- und Randfeldern 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, Föhn, Schneefall, 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: COSMO-1, COSMO-E und COSMO-7

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

COSMO-1

Hochaufgelöstes Modell für die kurzfristige Vorhersage für den aktuellen und den nächsten Tag. Der Abstand der Gitterpunkte beträgt 1.1 km, das Modellgebiet ist der gesamte Alpenraum.

COSMO-E

Dieses Ensemble-Modell berechnet eine probabilistische Vorhersage basierend auf 21 individuellen Modellläufen. Solch ein probabilistisches Vorhersagemodell erlaubt dabei, sowohl die wahrscheinlichste Wetterentwicklung als auch die Vorhersagezuverlässigkeit einer Prognose zu bestimmen. Zudem kann man  auch die Eintretenswahrscheinlichkeiten für bestimmte Wetterereignisse berechnen. COSMO-E wird bis fünf Tage in die Zukunft gerechnet, der Abstand der Gitterpunkte beträgt 2.2 km und das Modellgebiet umfasst ebenfalls den gesamten Alpenraum.

COSMO-7

Neben den hochaufgelösten Modellen COSMO-1 und COSMO-E für den Alpenraum betreibt MeteoSchweiz für Mittel-und Westeuropa zusätzlich das etwas grobmaschigere COSMO-7. Der Abstand der Gitterpunkte beträgt hier 6.6 km und die Vorhersagen werden bis zu einem Prognosehorizont von drei Tagen erstellt.

Die globalen Vorhersagen IFS-HRES (ca. 10 km Maschenweite) und IFS-ENS (ca. 20 km Maschenweite) des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) werden als Randbedingungen für die regionalen COSMO-Modelle genutzt.

Assimilation von Wetterbeobachtungen mit dem COSMO

Optimale Anfangsfelder, 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 für COSMO-1 und COSMO-E generiert jede Stunde eine neue Analyse. Diese Analyse bildet den Anfangszustand der Vorhersagen. Der Assimilationszyklus nutzt dabei alle verfügbaren Beobachtungen am Boden und vor allem in der freien Atmosphäre, um den Zustand der Atmosphäre bestmöglich und physikalisch konsistent zu beschreiben. Auch die Radardaten werden assimiliert, welche insbesondere für die ersten Vorhersagestunden einen grossen Mehrwert darstellen.

Berechnung der COSMO-Modelle

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. Alle Berechnungen erfolgen am Swiss National Supercomputing Centre (CSCS) in Lugano auf dem massiv-parallelen Supercomputer „Piz d‘Es-cha“. COSMO-1 Vorhersagen werden achtmal täglich, alle drei Stunden, gestartet und reichen bis 33 Stunden, für den Lauf um 03 UTC sogar bis 45 Stunden in die Zukunft. Die Vorhersageprodukte von COSMO-1 stehen 100 Minuten nach der Startzeit (d.h. um 01:40 UTC, 04:40 UTC, …) zur Verfügung. COSMO-E Vorhersagen reichen bis 5 Tage in die Zukunft und werden zweimal täglich mit den Startzeiten 00 UTC und 12 UTC gerechnet. Die COSMO-E Vorhersageprodukte stehen um 04:00 UTC und 16:00 UTC bereit. COSMO-7 schliesslich wird vier Mal pro Tag um 00 UTC, 06 UTC, 12 UTC und 18 UTC gestartet und deckt einen Vorhersagehorizont von 3 Tagen ab.

COSMO: 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, Israel, Italien, Polen, Rumänien, Russland und der Schweiz arbeiten im Rahmen des Consortium for Small-scale Modeling (COSMO) eng zusammen. Dieses Konsortium wurde im Oktober 1998 gegründet mit dem Ziel, ein nicht-hydrostatisches, regionales atmosphärisches Modell zu entwickeln und stetig zu verbessern. Dieses Modell wird operationell und für Forschungszwecke genutzt.

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