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Ensemble Datenassimilation

Die meteorologische Datenassimilation stellt die Anfangszustände für die Vorhersagen der numerischen Wetterprognosen zur Verfügung. Diese Anfangszustände schätzen möglichst genau den aktuellen Zustand der Atmosphäre. Dazu werden mit Hilfe der Datenassimilation eine grosse Menge Messdaten mit berechneten Modellzuständen optimal kombiniert um daraus einen in sich stimmigen Gesamtzustand der Atmosphäre und des Erdbodens zu ermitteln. Die Ensemble-Vorhersagesysteme der MeteoSchweiz, COSMO-1E und COSMO-2E, beruhen auf einer Schar von Vorhersagen mit leicht unterschiedlichen Randbedingungen und Anfangszuständen. Um diese Anfangszustände zu generieren, betreibt MeteoSchweiz das innerhalb des COSMO-Konsortiums entwickelte Ensemble-Datenassimilationssystem KENDA (Kilometer Scale Ensemble Data Assimilation).

Als Datenassimilation bezeichnet man das Verfahren, welches den atmosphärischen Anfangszustand, auch Analyse genannt, für den Start einer Modellvorhersage bereitstellt. Dafür werden vorangegangene Modellzustandsvorhersagen und in Echtzeit verfügbare Beobachtungen von Temperatur, Druck, Feuchte, Wind und Niederschlag, die ungleichmässig im gesamten Vorhersagegebiet verteilt sind, so kombiniert, dass eine bestmögliche Schätzung des aktuellen atmosphärischen Zustands auf dem Modellgitter erhalten wird.

Im Fall von Ensemble-Systemen wie COSMO-1E und COSMO-2E wird eine Schar von leicht unterschiedlichen Anfangszuständen benötigt. Dieses Analyse-Ensemble wird an der MeteoSchweiz mit Hilfe des Ensemble-Datenassimilationssystems KENDA (Kilometer Scale Ensemble Data Assimilation) berechnet. Für die hochaufgelöste Ensemblevorhersage auf der konvektiven Skala wird das Analyse-Ensemble auf dem COSMO-1E Gitter mit 1.1 km Maschenweite und 80 Schichten in einem Assimilationszyklus stündlich mit Messdaten aktualisiert. Die verwendete Methode, der Local Ensemble Transform Kalman Filter (LETKF), gewichtet Beobachtungen und Modellzustände mit den jeweiligen Unsicherheiten um eine bestmögliche Schätzung des aktuellen atmosphärischen Zustands zu erzeugen. Zusätzlich stellt der LETKF eine Schar von leicht abweichenden Analysen bereit welche die Unsicherheit der Zustandsschätzung repräsentieren. Von diesem Analyse-Ensemble wird die COSMO-1E Vorhersage alle drei Stunden (00, 03, … 21 UTC) gestartet. Um die atmosphärischen Anfangszustände für die COSMO-2E Vorhersagen zu erhalten wird das Analyse-Ensemble alle sechs Stunden (00, 06, 12 und 18 UTC) mit Hilfe eines Upscalings vom höheraufgelösten COSMO-1E Gitter auf das COSMO-2E Gitter interpoliert.

Messdaten in der Datenassimilation

MeteoSchweiz nutzt im Assimilationszyklus verfügbare Beobachtungen in Bodennähe und vor allem in der freien Atmosphäre, um den Zustand der Atmosphäre bestmöglich und physikalisch konsistent zu beschreiben. Das KENDA System verwendet momentan Messdaten der Stationen des Bodenmessnetzes, Radiosondierungen, Flugzeugbeobachtungen (AMDAR und MODE-S), Windprofilerdaten und Schiffs- und Bojenmeldungen. Wetterradardaten, welche insbesondere für die ersten Vorhersagestunden einen grossen Mehrwert haben, werden zusätzlich mit Hilfe eines sogenannten Latent Heat Nudging (LHN) assimiliert.

MeteoSchweiz arbeitet kontinuierlich daran, neue Beobachtungssysteme in den Datenassimilationszyklus zu integrieren. Zurzeit wird zum Beispiel die Nutzung von Windlidaren und Temperatur-Radiometern im Rahmen des Projekts EMER-Met untersucht.

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