Statistical-dynamical methods for scale dependent model evaluation and short term precipitation forecasting (STAMPF)
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Teilprojektes im Rahmen des Schwerpunktprogrammes "Quantitative Niederschlagsvorhersage" ist die skalenabhängige Verifikation der Niederschlagsvorhersagen der COSMO-Modelle des Deutschen Wetterdienstes in der Auflösung von 7.0 km für den europäischen Raum und 2.8 km für Deutschland. Das Projekt gliederte sich in zwei Teilbereiche. Zum einen wurde eine modellunabhängige, hochauflösende Niederschlagsanalyse aus Beobachtungsdaten erstellt, wobei die Niederschlagsprozesse in konvektive und stratiforme Anteile anhand von Wolkenbeobachtungen und Satellitendaten getrennt wurden. Durch die Trennung der Niederschlagsarten konnte hier erstmalig quantitativ gezeigt werden, dass der Tagesgang des gesamten Niederschlages vom konvektiven Anteil bestimmt wird. Insgesamt war das COSMO-EU Modell durch zu hohe Niederschlagsmengen gekennzeichnet, was auf eine Überschätzung des konvektiven Anteils zurückzuführen ist. Es hat sich gezeigt, dass der mittlere absolute Fehler zwischen Modell und der modellunabhängigen Niederschlagsanalyse für alle Vorhersagezeiten auf der konvektiven Skala höhere Werte zeigt als auf den größeren Skalen. Dieses Ergebnis ist im Einklang mit den größeren Fehlerwachstumsraten auf den kleineren Skalen. Der zweite Teilbereich beschäftigte sich mit der Analyse der physikalischen Ursachen der Niederschlagsprozesse auf verschiedenen Skalen. Hierzu wurde ein neuer dynamischer Zustandsindex (DSI) eingeführt, der die atmosphärische Dynamik relativ zu einem stationären Grundzustand analysiert. Es zeigt sich, dass die Niederschlagsprozesse sehr gut mit den diabatischen Abweichungen dieses Grundzustandes, hervorgerufen durch das Freiwerden von latenter Wärme, korreliert sind. Insbesondere können die lang gezogenen Niederschlagsgebiete mit den filament-artigen Bändern der Ertelschen potentiellen Vorticity, einer zentralen Wirbelgröße der atmosphärischen Dynamik, in Beziehung gesetzt werden. Als Verknüpfung der beiden Projektteilbereiche wurde ein Niederschlags-Aktivitätsindex entwickelt, der die DSI-Anomalien mit den Wolkentypen verbindet. Der höchste Aktivitätsindex wurde bei den Wolkenarten Cumulonimbus, gefolgt von Cumulus congestus und Altocumulus/Nimbostratus am Nachmittag erreicht. Das zentrale Forschungsergebnis dieses Projektes ist die Erkenntnis, dass der Niederschlag skalenabhängig zu betrachten ist und seine hohe raumzeitliche Variabilität mit dynamischen Fluktuationen um einen Grundzustand erklärt werden kann.
