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Extratropical Transition: impact of dropsonde observations around tropical cyclones on the European weather forecast

Extratropical Transition: impact of dropsonde observations around tropical cyclones on the European weather forecast
Contact:Prof. Dr. S. Jones, M. Boettcher
Project Group:Modelling and hazard analysis of weather systems

Description

Motivation

Die Wechselwirkung von tropischen Wirbelstürmen mit der Strömung der mittleren Breiten führt insbesondere bei einer außertropischen Umwandlung (ET) oft zu großen Vorhersagefehlern.
Globale Vorhersagemodelle, welche oft auch die Anfangsbedingungen für mesoskalige und regionale Modelle liefern, können die kleinskaligen Wirbelstürme meist nicht genügend auflösen. Die beschleunigte Verlagerungsgeschwindigkeit und schnelle Intensivierung während  ET mindern meist die Vorhersagegüte. Die Erfassung der zeitlichen und räumlichen Lage eines Wirbelsturmes relativ zu den Wellen der Mittelbreitenströmung ist von besonderer Bedeutung für den Verlauf der Prognose.
  
Seit mehreren Jahren werden von National Hurricane Center (NHC) und Hurricane Research Division (HRD) Messflüge um Hurrikane unternommen. Es werden diejenigen Wirbelstürme beobachtet, von denen die Gefahr des Auftreffens auf Land ausgeht. Von Flugzeugen werden GPS-navigierte Dropsonden abgeworfen, deren Profilmessungen von Druck, Temperatur und Wind in die Datenassimilation von Vorhersagemodellen eingehen. Für die Kurzfristvorhersage bewirken die gezielten Messungen die Reduzierung des Vorhersagefehlers der Zugbahnvorhersage.


Vorgehensweise und Ergebnisse

Nun wurde untersucht, welchen Einfluss die zusätzlichen Informationen aus Wirbelstürmen auf die  Mittelfristvorhersage bis zu 180h haben. Es wurden Vorhersagen des amerikanischen Globalmodelles GFS verglichen, welche (a) operationell die gezielten Messungen aus Wirbelstürmen enthalten (alldrop) mit (b)  Vorhersagen, aus welchen die Dropsondenmessungen der gesamten Saison entfernt wurden (nodrop).

Mit Hilfe des Eady-Index wurde untersucht, wie die Ausbreitung Unterschiede zwischen  den Vorhersagen mit und ohne Dropsondenmessungen erfolgt. Der Eady-Index ist eine aus dem Eady-Modell abgeleitete Maßzahl für baroklines Wachstum. In baroklin instabilen Gebieten besteht eine erhöhte Vorhersageunsicherheit.  Abbildung 1 zeigt die Unterschiede alldrop-nodrop des Geopotentials in 500hPa der Vorhersagen vom 16. September 2004 00 UTC in Verbindung mit Hurrikan Ivan nach 60, 84 und 108h Vorhersagezeit.  

Abb.1: Vorhersageunterschied alldrop-nodrop des Geopotentials auf 500hPa der Prognose vom 16.09.2004 00 UTC nach 60, 84 und 108h Vorhersagezeit 


Unterschiede in Intensität und Position des beobachteten Systems bestehen zwischen den Vorhersagen von der Startzeit an. Sie verlagern sich im Laufe der Vorhersagezeit mit dem System und breiten sich vorwiegend stromabwärts entlang der Regionen mit erhöhtem baroklinen Wachstum, angezeigt durch den Eady-Index (graue Schattierung in Abb. 1), aus.

Das von den Vorhersagen beeinflusste Gebiet wurde in mehrere Bereiche eingeteilt. Mittels einer Normierung und der Mittelung über alle Modellgitterpunkte eines Bereiches wurde die Änderung der Vorhersagegüte durch die Dropsondendaten bestimmt. In Abbildung 2 ist die Verminderung des Vorhersagefehlers gegen die Vorhersagezeit für den Fall Ivan (2004) aufgetragen. Der Verlauf des roten Graphen im positiven Bereich weist auf die Verminderung des Vorhersagefehlers durch die Dropsondendaten hin.   


     Abb. 2: Reduzierung des Vorhersagefehlers durch die alldrop-Vorhersage (rot),  Vorhersagefehler (blau) für das Geopotential [gpm] in 500hPa im Bereich Atlantik (60° - 20°W, 35°- 60° N) im linken Bild und den Bereich Europa (20° W- 20° O, 35° - 70° N) im rechten Bild.

Die in Abb. 2 gezeigten Veränderungen der Vorhersagegüte für den Fall Ivan sind repräsentativ für weitere zehn ausgewertete Vorhersagefälle. Die Daten aus Wirbelstürmen zeigen im Vergleich zum Vorhersagefehler nur geringe Auswirkungen auf die Vorhersagegüte. Trotz zeitweiser Verminderung des Vorhersagefehlers gleichen sich positive und negative Einflüsse der Dropsondendaten im Vorhersagezyklus aus.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Messungen aus Wirbelstürmen erzielen auf die Mittelfristprognose keine qualitätsmindernde Wirkung. Die erhoffte Erhöhung der Vorhersagegüte für Europa blieb in den hier untersuchten Prognosen aus. Eine endgültige Aussage, welche Folgen die Dropsondenmessungen um Wirbelstürme für die Mittelfristvorhersage mit sich bringen, kann erst nach Auswertung einer größeren Anzahl von Prognosen gemacht werden. Verbesserungen der Prognosequalität für Europa sind eher durch Zusatzmessungen aus dem Bereich westlich des Zielgebietes zu erwarten, da somit die Wirkung direkt mit der Strömung verlagert werden könnte.