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Zeitlich hochaufgelöste GPS-Assimilation zur Verbesserung von Starkniederschlagssimulationen

Durch den Klimawandel wird im westlichen Mittelmeerraum eine Zunahme der Häufigkeit und der Intensität von Extremniederschlägen erwartet. Die Simulation von Extremwetterereignissen bleibt eine Herausforderung

Durch den Klimawandel wird im westlichen Mittelmeerraum eine Zunahme der Häufigkeit und der Intensität von Extremniederschlägen erwartet. Die Simulation von Extremwetterereignissen bleibt eine Herausforderung, was teilweise auf die fehlerhafte Darstellung von relevanten Feuchtigkeitsprozessen zurückzuführen ist. Eine falsche Feuchtigkeitsverteilung in Atmosphärenmodellen beeinflusst und verschlechtert häufig sogar die Niederschlagssimulationen. 

In den letzten Jahren konnten erhebliche Fortschritte in der Messtechnik und dank Hochleistungscomputern auch in der Berechnung von Vorhersagen erzielt werden. Mit der Entwicklung der GPS ("Global Positioning System”) -Meteorologie ist es gelungen, den integrierten Wasserdampf (IW) in einer Zeitspanne von nur wenigen Minuten mit hoher Qualität zu erfassen. Darüber hinaus haben hochauflösende atmosphärische Simulationen die explizite Darstellung von hochreichender Konvektion ermöglicht, was die Notwendigkeit der Verwendung mathematischer Vereinfachungen (Parametrisierungen) zur Darstellung dieses Phänomens verringert.

Eines der Hauptziele des Projekts „Predictive Models for Extreme and High-Impact Weather under Climate Change“ (PREMIUM), das innerhalb der Arbeitsgruppe „Extremwetterereignisse und Klimawandel“ durchgeführt wird, ist es, das Verständnis und die Modelldarstellung von extremen Niederschlägen durch zeitlich hochaufgelöste GPS-Beobachtungen zu verbessern. Wir haben neuartige Simulationen durchgeführt, die alle 10 Minuten GPS-Messungen mit der sogenannten Nudging-Methode in Modellauflösungen von 7 km bis 500 m assimilieren.

Für dieses Experiment wurde die Herbstperiode 2012 ausgewählt, da dies die Jahreszeit mit der größten Wahrscheinlichkeit von Starkniederschlägen in der nordwestlichen Mittelmeerregion ist und sie die „Special Observation Period“ (SOP) 1 des „Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment“ (HyMeX) umfasst. Während HyMeX wurden einzigartige Beobachtungsdatensätzen gesammelt, die für die Modellvalidierung und Prozessstudien zur Verfügung stehen. Im Rahmen von HyMeX wurde ein beispielloses GPS-Netzwerk mit über tausend GPS-Empfängern gemeinschaftlich für die SOP1 zu Forschungszwecken aufbereitet.

Der Einfluss der Assimilation von GPS-Daten mit der Nudging-Technik ergab eine Verbesserung in der Simulation von Luftfeuchtigkeit und konvektiver Prozesse. Es konnte eine Reduzierung des mittleren quadratischen Fehlers für IW und der Überschätzung der Feuchtigkeit in Höhen über 1 km beobachtet werden. Die Kombination von GPS-Nudging und hochaufgelösten Simulationen (500 m) reduzierte die Differenzen zwischen dem Modell und den Beobachtungen. Relevante Auswirkungen auf die atmosphärische Labilität und den Feuchtigkeitstransport verbesserten die Simulation: der tägliche  Niederschlagszyklus, Niederschlagsstruktur und die Wahrscheinlichkeit von Niederschlagsextremen  werden besser dargestellt.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für die verbesserte Darstellung durch die GPS-Assimilation des IW im Herbst 2012 mit einer horizontalen Modellauflösung von 2,8 km. Die mittlere absolute Abweichung wird auf der Iberischen Halbinsel (IP), Frankreich (FR) und Italien (IT) durch GPS-Nudging zwischen 20 % und 60 % reduziert. Dennoch bestehen nach wie vor erhebliche Differenzen in den Bergregionen.

Diese innovativen Experimente zeigen den Nutzen der Assimilation von minutengenauen GPS-Informationen. Sie zeigen, dass GPS allein wichtige Korrekturen in Hinblick auf die Darstellung von Starkniederschlägen wie dem Tageszyklus oder der Wahrscheinlichkeitsverteilung bringen kann. Diese neuen Erkenntnisse können potenziell zu Verbesserungen in der Wettervorhersage führen. Insbesondere in Situationen, in denen die Beobachtungssysteme scheitern oder kaum vorhanden sind.

 

Abbildung 1. IW Unterschiede (Beobachtungen - Modell) für den Zeitraum September bis November 2012 zwischen GPS-Messungen und den Simulationen mit COSMO auf einem 2,8 km Raster. Die Unterschiede ergeben sich an der Position der GPS-Empfänger (blaue und rote Punkte), wobei blaue Farben für eine nasse Abweichung im Modell stehen. Die IW-Differenzen werden im Beobachtungszeitraum gemittelt. Die schwarzen Linien kennzeichnen drei Untersuchungsgebiete für die Iberische Halbinsel (IP), Frankreich (FR) und Italien (IT) und die roten Linien die Simulationsgebiete. 

 

Arbeitsgruppe: Extremwetterereignisse und Klimawandel (https://www.imk-tro.kit.edu/6760.php)

Veröffentlichung: https://www.nat-hazards-earth-syst-sci-discuss.net/nhess-2019-319/

Kontakt: Alberto Caldas-Alvarez (alberto.caldas-alvarez∂kit.edu)