{"id":9360,"date":"2018-05-10T20:21:26","date_gmt":"2018-05-10T18:21:26","guid":{"rendered":"http:\/\/www.hossi-im-netz.de\/wordpress\/?p=9360"},"modified":"2018-05-10T20:21:26","modified_gmt":"2018-05-10T18:21:26","slug":"numerische-wettervorhersage-billionen-an-rechnungen-fuer-eine-deutschlandwettervorhersage","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.hossi-im-netz.de\/wordpress\/numerische-wettervorhersage-billionen-an-rechnungen-fuer-eine-deutschlandwettervorhersage\/","title":{"rendered":"Numerische Wettervorhersage – Billionen an Rechnungen f\u00fcr eine Deutschlandwettervorhersage"},"content":{"rendered":"
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Numerische Wettervorhersage – Billionen an Rechnungen f\u00fcr eine Deutschlandwettervorhersage<\/h2>\n
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Die Wetterprognose basiert heutzutage auf komplexen Vorhersagemodellen. Trotz stetiger Weiterentwicklungen wird auch in Zukunft das Wetter nie exakt vorhergesagt werden k\u00f6nnen. Um dies etwas besser zu verstehen, wird heute erl\u00e4utert, wie aufw\u00e4ndig bereits eine Vorhersage des Wetters f\u00fcr die kommenden ein bis zwei Tage in Deutschland ist.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Die Atmosph\u00e4re ist ein hochgradig kompliziertes System. Um die physikalischen Abl\u00e4ufe, die f\u00fcr das Wetter verantwortlich sind, beschreiben und vorhersagen zu k\u00f6nnen, verwendet man sogenannte numerische Wettervorhersagemodelle (NWV-Modelle). Dabei handelt es sich um komplexe Computerprogramme, die die Prozesse, die in der Atmosph\u00e4re stattfinden, vereinfacht beschreiben und mathematisch berechnen.<\/p>\n

Das vom Deutschen Wetterdienst entwickelte Modell COSMO-D2 ist ein solches NWV-Modell. Es ersetzt ab kommenden Dienstag das Vorg\u00e4ngermodell COSMO-DE und wird pr\u00e4zise Wetterprognosen f\u00fcr die kommenden ein bis maximal zwei Tage in Deutschland erstellen. Da man den Zustand der Atmosph\u00e4re nicht an unendlich vielen Punkten im Raum berechnen kann, verwendet man ein dreidimensionales Gitternetz, auf dem die atmosph\u00e4rischen Gr\u00f6\u00dfen berechnet werden. Die Grundlage bildet dabei der Satz von acht prognostischen Grundgleichungen, und zwar f\u00fcr den Wind in alle drei Raumrichtungen, der Temperatur, des Luftdrucks sowie des festen (Eis), fl\u00fcssigen (Wasser) und gasf\u00f6rmigen (Wasserdampf) Wassergehalts. Allerdings sind diese Gleichungen so kompliziert, dass sie nur vereinfacht berechnet werden k\u00f6nnen.<\/p>\n

Das Gitter, auf dem die (vereinfachten) Modellgleichungen gel\u00f6st werden, sollte einerseits so feinmaschig sein, um selbst lokale Wetterph\u00e4nomene ausreichend gut aufl\u00f6sen zu k\u00f6nnen, aber gleichzeitig grob genug sein, um nicht den Rahmen an Rechen- und Datenaufwand zu sprengen. COSMO-D2 verwendet ein Gitter mit einer horizontalen Maschenweite von etwa 2,2 km. In diesem Abstand werden nun die oben genannten Vorhersagegr\u00f6\u00dfen berechnet. Das ist ausreichend fein, um zum Beispiel lokale Effekte wie Berg-Talwind-Zirkulationen relativ realit\u00e4tsnah darstellen zu k\u00f6nnen. Au\u00dferdem k\u00f6nnen einzelne Gewitterzellen, welche einen Durchmesser von mehreren Kilometern haben, n\u00e4herungsweise simuliert werden.<\/p>\n

Mit einem derart feinen Gitter kann man nicht die ganze Welt umspannen. Deshalb beschr\u00e4nkt sich COSMO-D2 auf Deutschland inklusive (Teile) der Nachbarstaaten (linke Abbildung). Daf\u00fcr werden 651 Gitterpunkte in Ost-West-Richtung und 716 Gitterpunkte in Nord-S\u00fcd-Richtung ben\u00f6tigt. Da die Atmosph\u00e4re ein 3-dimensionales System ist, ist f\u00fcr die Vorhersage nicht nur der Zustand der Atmosph\u00e4re am Boden, sondern auch in der H\u00f6he wichtig. Daher besteht das Modellgitter aus 65 Gitterfl\u00e4chen (rechte Abbildung), welche in Bodenn\u00e4he recht eng \u00fcbereinander liegen und mit der H\u00f6he einen immer gr\u00f6\u00dferen Abstand voneinander haben. Daraus resultieren insgesamt 651 x 716 x 65 = 30.297.540 Gitterpunkte. Zum Beginn einer Modellsimulation wird anhand von Beobachtungen (z.B. von Wetterstationen, Radiosonden, Wettersatelliten) der aktuelle Zustand der Atmosph\u00e4re auf alle Gitterpunkte interpoliert. Anschlie\u00dfend wird in die Zukunft gerechnet. Dazu m\u00fcssen an jedem Gitterpunkt alle 10 Sekunden die oben genannten acht Modellgleichungen berechnet werden. Das COSMO-D2 wird alle drei Stunden, also achtmal am Tag neu gestartet und erstellt jeweils eine 27-st\u00fcndige Vorhersage. Dazu sind also insgesamt 9.720 (27h x 60min x 60s\/10) Rechenzeitschritte n\u00f6tig. Multipliziert man nun die Anzahl der Gitterpunkte mit der Anzahl der Rechenzeitschritte und der 8 atmosph\u00e4rischen Zustandsvariablen, kommt man insgesamt auf 2.355.936.710.400 (ca. 2,36 Billionen) Rechnungen, die f\u00fcr eine einzige Vorhersage durchgef\u00fchrt werden m\u00fcssen. Jeden Morgen um 3 UTC (5 Uhr MESZ) wird COSMO-D2 sogar f\u00fcr 45 Stunden in die Zukunft gerechnet, sodass sich der Rechenaufwand auf etwa 3,93 Billionen Rechnungen erh\u00f6ht.<\/p>\n

Um diesen immensen Rechenaufwand in ausreichender Schnelligkeit leisten zu k\u00f6nnen, sind modernste Hochleistungsrechner erforderlich. Au\u00dferdem erzeugt eine solche Computervorhersage auch enorme Datenmengen. Pro Wettervorhersage mit dem COSMO-D2 entstehen etwa 50 GB an Wetterdaten, sodass sehr gro\u00dfe Festplatten zur Datenspeicherung ben\u00f6tigt werden.<\/p>\n

Doch das ist alles nur die halbe Wahrheit. Beim DWD werden noch zahlreiche weitere numerische Wettersimulationen durchgef\u00fchrt. Um das COSMO-D2 \u00fcberhaupt betreiben zu k\u00f6nnen, muss mit einem weiteren Modell auch das Wetter rund um den Globus berechnet werden. Au\u00dferdem versucht man, die Unsicherheit einer Vorhersage abzusch\u00e4tzen, indem man zu jedem Vorhersagetermin das COSMO-D2 mehrfach leicht ver\u00e4ndert startet. Auf diese Aspekte wird in weiteren Themen des Tages n\u00e4her eingegangen.<\/p>\n

Vielleicht k\u00f6nnen Sie sich nun vorstellen, dass trotz stetiger Fortschritte bei der Vorhersage auch in ferner Zukunft das Wetter noch f\u00fcr \u00dcberraschungen gut sein wird und man es nie exakt vorhersagen kann?<\/p>\n

Dipl.-Met. Dr. Markus \u00dcbel<\/p>\n

Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 10.05.2018<\/p>\n

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst<\/p>\n<\/div>\n

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