Das ENSO-Phänomen

Ensemblevorhersagen

Ein meteorologisches Ensemble besteht aus mehreren Wettervorhersagen und dient der Bestimmung der Vorhersageunsicherheit durch die Bewertung der Unterschiede  zwischen den Vorhersagen im Ensemble. Aufgrund der chaotischen Natur der Atmosphäre können kleine Unterschiede im Anfangszustand einer Simulation zu großen Unterschieden in der Vorhersage führen. Bei der Entwicklung von Ensemblesystemen geht es darum, durch gezielte Veränderungen des mathematischen Wettermodells und des Anfangszustandes, mit dem ein Vorhersagelauf auf einem Supercomputer gestartet wird, ein realistisches Spektrum an Vorhersagen zu erzeugen. Diese verschiedenen Optionen der Wetterentwicklung bekommen durch das Ensemble eine Wahrscheinlichkeit zugeordnet.
Die gemeinsame Interpretation von mehreren kategorischen Einzelvorhersagen können mit unterschiedlichen Vorhersageverfahren (Multi-Model) oder einem einzigen Modellsystem (Single-Model) erzeugt werden.

Im Gegensatz zur klassischen Wettervorhersage mit nur einer einzigen möglichen Vorhersage, die als absolut angesehen wird, liefern Ensemblesysteme Wahrscheinlichkeiten für das Eintreten verschiedener Optionen des zukünftigen Wetters. In einem perfekt arbeitenden Ensemble gilt: je deutlicher sich die einzelnen Vorhersagen im Ensemble voneinander unterscheiden, desto unsicherer ist die Vorhersage.
Die mehrfachen Simulationen werden durchgeführt, um die drei Hauptursachen für Fehler in den Wettervorhersage-Modellen zu verringern:

• Fehler verursacht durch Chaos oder unbestimmte Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen,
• Fehler verursacht durch Unvollkommenheiten im Modell, wie den begrenzten Rasterfeldabständen,
• Fehler verursacht durch unvollständige Anfangsbedingungen (die in den Simulationen etwas variiert werden).

Idealerweise sollte das aktuelle Wettergeschehen in die Bandbreite des simulierten Ensembles fallen, und die Häufigkeit der Verteilung sollte mit der Wahrscheinlichkeit des Auftretens bestimmter Wetterereignisse zusammenhängen.
Ensemble-Vorhersagen werden hauptsächlich für die Erfassung großflächiger Wetterbedingungen im Vorhersage-Zeitraum von 3 bis 14 Tagen angewendet. Anwendungen im Bereich lokaler Vorhersagen mit hoher Auflösung sind begrenzt, wegen der sehr hohen erforderlichen Rechenleistung und aufgrund des großen Einfluss von großflächigen Mustern auf regionale Entwicklungen über einen Zeitraum von mehr als 5-7 Tage im Voraus.

Vorhersage-Plume mehrerer Modelle für die Niño 3-Region Das EUROSIP-Multimodel-Saisonvorhersagesystem besteht aus einer Reihe von unabhängigen gekoppelten Saisonvorhersagesystemen, die in einen gemeinsamen Rahmen integriert sind. Ab 2012 umfassen die Systeme die des EZMWF, des Met Office, von Météo-France und NCEP. Der Grund für die Schaffung eines Prognosesystems mit mehreren Modellen liegt darin, dass die Forschung immer wieder gezeigt hat, dass bessere und zuverlässigere saisonale Vorhersagen erstellt werden können, wenn die Ergebnisse mehrerer Modelle kombiniert werden, anstatt nur ein einziges Modell zu verwenden. In den meisten Fällen ist die Kombination mehrerer Modelle besser als das beste Einzelmodell. Die grafischen EUROSIP-Multimodel-Saisonvorhersageprodukte (z.B. Niño Plumes) folgen im Allgemeinen dem Design der Saisonvorhersageprodukte des EZMWF, wie im Benutzerhandbuch für die Saisonvorhersage des EZMWF beschrieben. Hier beschreiben wir diejenigen Aspekte, die sich von den Standard-Einzelmodellprodukten unterscheiden. Quelle: ECMWF

Seit etwa 20 Jahren werden am Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) globale Jahreszeitenvorhersagen erstellt und inzwischen gibt es weltweit einige weitere Wetterdienste, die ebenfalls Jahreszeitenvorhersagen produzieren. Zur Erhöhung der Qualität der saisonalen Prognosen werden die Vorhersagen verschiedener Modelle im Ensemble bewertet. Beim EZMW ist das Projekt EUROSIP (European Seasonal to Interannual Prediction) angesiedelt. Das Konsortium betreibt derzeit Modelle des EZMW, des britischen und französischen Wetterdienstes und des nationalen Zentrums für Umweltvorhersagen (NCEP) der USA.

Beim Deutschen Wetterdienst (DWD) wird seit Herbst 2011 gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg und der Universität Hamburg am Aufbau eines eigenen Ensemblevorhersagesystems gearbeitet. Seit Januar 2015 ist das neue Modell ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic) in Betrieb. Es liefert globale Vorhersagen mit einer Auflösungvon 13 km weltweit in einem Zeitrahmen von 7 Tagen.

ICON-Modellgitter Der DWD und das Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg (MPI-M) entwickeln gemeinsam das nichthydrostatische Globalmodell ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic) mit lokaler Zoomfunktion. Diese Kooperation nutzt die besonderen Erfahrungen der beiden Partner im Bereich numerischer Verfahren und konsistenter physikalischer Parameterisierungen optimal aus. ICON beruht, wie das COSMO Modell des DWD, auf den nichthydrostatischen Gleichungen und lässt sich über beliebigen Gebieten der Erde lokal verfeinern. Die eingesetzten numerischen Verfahren garantieren die Erhaltung der Masse. ICON wird anfangs mit einer Maschenweite von 13 km weltweit und 6,5 km über Europa die bisherigen operationellen Modelle GME und COSMO-EU ersetzen und so zu einer Optimierung des NWV-Systems des DWD beitragen. Darüber hinaus wird es auch in der Klimamodellierung am MPI-M eingesetzt werden. Mehr Information über ICON findet sich auf der ICON-Homepage am MPI-M in Englisch Quelle: DWD

Mit Bezug zu ENSO sind die Anomalien der Meeresoberflächentemperatur im äquatorialen Pazifik sind mit heutigen gekoppelten Ozean-Atmosphäre Zirkulationsmodellen bis zu sechs Monate im Voraus vertrauenswürdig vorherzusehen. Dabei mittelt man über viele Vorhersagen mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen (Ensemblevorhersage), um den Einfluss der zufälligen Schwankungen herauszufiltern. Es hat sich außerdem herausgestellt, dass die durch Mittelung der Ensemblevorhersagen verschiedener Modelle (Multi-Modell Ensemble) berechnete »Konsensvorhersage« der Ensemblevorhersage jedes einzelnen Modells überlegen ist. Die ENSO-Vorhersage war der Durchbruch in der Jahreszeitenvorhersage. Es sei an dieser Stelle aber ausdrücklich festgehalten, dass die Jahreszeitenvorhersagen für die Extratropen wenig vertrauenswürdig sind. Die extratropische Atmosphäre ist auf den saisonalen Zeitskalen sehr stark durch die interne chaotische, nicht vorhersagbare Variabilität der Atmosphäre geprägt (Latif 2011).