NWP-Modellverifikation über komplexem Gelände mit VERA

Seit 2003 wird am Institut für Meteorologie und Geophysik in Verbindung mit dem Analysesystem VERA (Vienna Enhanced Resolution Analysis) ein operationelles Modellvergleichssystem mit mehreren namhaften Wettervorhersagemodellen betrieben (ALADIN, ECMWF, LME). Im Rahmen des internationalen Projekts MAP D-PHASE (2007) wurde das System an eine Neuversion von VERA, VERAXX, angepasst, und um einige Modelle (COSMO, MM5, GEM-LAM) erweitert. Diese Erneuerung erlaubt, die räumliche Auflösung (bis zu 2km) und den geographischen Ausschnitt flexibel zu wählen, und so auf skalenabhängige Phänomene besser einzugehen. Im Rahmen von VERITA soll eine Reihe von hochauflösenden Modellen mit Hilfe der aktuellsten Verifikationsmethoden ausgewertet und verglichen werden. Besonders Methoden, die sich mit der spektralen Dekomposition von Modellfeldern, der getrennten Behandlung einzelner Skalen und der Bestimmung und Fortpflanzung (in Modellketten) von Phasenfehlen befassen, sollen entwickelt, getestet und eingesetzt werden. Im Zuge dieser Arbeiten, sollen aber auch Fragen bezüglich der Anwendbarkeit von VERA für Verifikationszwecke, einerseits im Vergleich mit alternativen Analysemethoden, und andererseits im Vergleich mit Beobachtungsdaten meteorologischer Stationen, beantwortet werden. Festzustellen ist z.B., ob, und ab welcher räumlichen Skala, bei welcher Stationsdichte und bei welcher Modellauflösung Analyse und (räumlich unregelmäßige) Beobachtungsdaten äquivalent einsetzbar wären. Die Datengrundlage des Projekts, hochauflösende Prognosemodelle und ein dichtes Netz an Beobachtungen, stammt von zwei internationalen Projekten, and denen das IMGW beteiligt ist: Im Rahmen von COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study) wurde von Juni bis August 2007 eine Messkampagne im Gebiet Vogesen, Rheintal, Schwarzwald und Schwäbischer Alb durchgeführt. Ziel des Projekts ist ein erweitertes Verständnis von Konvektionsprozessen in der Atmosphäre. Dieses ist nötig, um die Niederschlagsvorhersagen der gängigen, feinmaschigen Lokalmodelle zu verbessern, sowie deren Fehler und Schwachstellen ausfindig zu machen. In zeitlicher Übereinstimmung mit COPS fand die Demonstrationsphase des Forecast Demonstration Projects (FDP) MAP D-PHASE (Demonstration of Probabilistic Hydrological and Atmospheric Simulation of flood Events in the Alpine region) von Juni bis November 2007 statt. In der Demonstrationsphase wurde eine durchgehende Vorhersagekette, vom Modellentwickler bis zum Anwender, für Starkniederschlags- und Überflutungsereignisse betrieben. Die Modellprognosen, die von verschiedensten Institutionen für diesen Zeitraum und für den Alpenraum gerechnet wurden, stehen den Projektpartnern ebenso für weitere wissenschaftliche Anwendungen zur Verfügung, wie die Messergebnisse aus der COPS-Region. Um die Datendichte im gesamten Alpenraum zu erhöhen, wurden zudem bei sämtlichen nationalen Wetterdiensten im Einflussbereich der Alpen zusätzliche Daten angefordert.

Im Projekt VERITA wurden erstmals nicht nur die von Modellen vorhergesagten Felder verifiziert, sondern auch die zur Verifikation verwendeten Referenzfelder einer ausführlichen Qualitätskontrolle unterzogen. Bis dato sind die Referenzdaten (Beobachtungen oder Analysen) als die Wahrheit angesehen worden. Natürlich beinhalten auch diese Daten Unsicherheiten, die sich auf das Verifikationsergebnis auswirken. Früher wurden die Fehler in den Referenzdaten als klein gegenüber den Vorhersagedaten angenommen. Mit zunehmender Genauigkeit der Vorhersagen ist dies nicht mehr gültig. Zur Abschätzung des Fehlers in den Referenzdaten wurden Methoden entwickelt, um ein Analyse Ensemble zu erstellen. Mithilfe dieses Ensembles können Verifikationsmaße erstmals mit Unsicherheitsangaben versehen werden.Im Rahmen dieses Projektes wurde auch eine umfassende Vergleichsstudie diverser Wettervorhersagemodelle verschiedener Länder durchgeführt. Dies wurde möglich durch die Einbettung des Projektes in zwei Projekte des Weltwetterforschungsprogrammes (World Weather Research Programme) der Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organisation) einer Teilorganisation der UNO. Dadurch konnte ein umfassender Beobachtungsdatensatz über Zentraleuropa und von Modelldaten verschiedenster Modelle über dem gleichen Gebiet gewonnen werden. Eine modellunabhängige Analyse wurde mit dem am Institut für Meteorologie und Geophysik der Universität Wien entwickelten VERA (Vienna Enhanced Resolution Analysis)-System erstellt. Mit dieser Datenbasis konnten erstmals Modellketten aus verschiedenen Ländern gegeneinander verglichen und ihre Qualität bewertet werden. Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes betraf die Entwicklung neuer Verifikationsmethoden und die Verwendung neuer Parameter. Niederschlag ist mit Abstand der häufigste Parameter, der zu Verifikationszwecken verwendet wird. Als neue Parameter wurden unter anderem herangezogen: die äquivalentpotentielle Temperatur (ein Maß für die Luftmasse), der Wind aber auch die Frontenlage und Frontgeschwindigkeit. Um die Zusatzinformation der neuen Generation hochauflösender Vorhersagemodelle bewerten zu können, wurde eine sogenannte Wavelet Analyse angewandt. Dadurch werden das zu verifizierende Vorhersagefeld und das Analysefeld einer Skalenanalyse unterzogen. Die eventuelle Verbesserung der Vorhersage eines Modells respektive der Unterschied in den Vorhersagen mehrerer Modelle können damit bis auf einzelne Skalen heruntergebrochen werden. Die genaue und detaillierte Kenntnis der Prognoseleistung eines Vorhersagemodells ist zum einem wichtig für den Prognostiker im Vorhersagedienst aber auch für den Modellierer selbst, um die Modellschwächen gezielt zu analysieren und das Modell verbessern zu können. Genaue Wettervorhersagen stellen in vielen Bereichen der Volkswirtschaft einen wesentlichen Bestandteil dar.