Ensemble-Prognosen

Trotz zahlreicher Wetterstationen weltweit und moderner Satelliten- und Radartechnik wissen wir nur wenig über den aktuellen Zustand der Atmosphäre außerhalb von Europa und Nordamerika. Dies ist insbesondere für eine Mittel- und Langfristvorhersage nachteilig, da "unser Wetter" im Rahmen eines globalen Wetterkreislaufs im Austausch zwischen der Atmosphäre und den Ozeanen entsteht.

Wir nehmen das Wetter häufig als chaotisches, dynamisches System wahr. So trägt zum einen die zum Teil fehlende Kenntnis über den Ist-Zustand der Atmosphäre, aber auch die zu Grunde liegende mathematische Gleichung dazu bei, dass kleine Eingangsstörungen im numerischen Modell zu wachsenden Ungenauigkeiten in der Vorhersage führen. Auch dieses Problem lässt sich mit Hilfe der Statistik lösen: Durch Ermittlung der Variabilität/Ungenauigkeit der Ausgangssituation, können die Extreme herausgefiltert und genauer berechnet werden. Dies lässt in der Folge Aussagen über die Stabilität der Wetterlage und deren Eintreffwahrscheinlichkeiten zu.

mminternational stehen dazu insgesamt 110 Ensemble-Perturbationen des amerikanischen, europäischen und kanandischen Wetterdienstes zur Verfügung.

MOS - Model Output Statistics

Wettervorhersagesysteme teilen sich im Wesentlichen ein in numerische Systeme, die die volle Dynamik der Atmosphäre unter Berücksichtigung von physikalischen Gesetzen (partiellen Differentialgleichungen) berechnen und in Systeme, die auf Basis statistischer Verfahren eine Vorhersage ermitteln. Numerische Vorhersagemodelle stoßen aufgrund der Rechnerressourcen bei der Auflösung lokaler Wettererscheinungen schnell an ihre Grenzen. Mit Hilfe statistischer MOS-Verfahren ist es möglich, beispielsweise die Temperatur in kleinen Muldenlagen, lokale Windsysteme, Niederschlagsereignisse durch Staulagen oder die Sonnenscheindauer in Hanglagen wesentlich präziser vorherzusagen.

mminternational hat deshalb ein eigenes MOS-System entwickelt, das sogenannte Punkt-Vorhersagen erlaubt. Dazu wird der statistische Zusammenhang zwischen dem Output eines "grobmaschigen" Wettervorhersage-Modells und den Daten einer Wetterstation ermittelt. Dies ermöglicht präzise Vorhersagen für die Stationen, deren Beobachtungsdaten vorliegen. Diese Vorhersagen werden stündlich für über 17.000 Stationen weltweit berechnet. Damit ist mminternational in der Lage, für jeden Ort eine Vorhersage für mehr als 10 Tage in einstündiger Auflösung zur Verfügung zu stellen.

Das Besondere ist ein Expertensystem, das die Ergebnisse unterschiedlicher Vorhersagesysteme analysiert und anhand aktueller Stationswerte eine optimale Vorhersage bestimmt.

Fachliteratur

N. Dorband, M. J. Fengler, A. Gumann, S. Laps:
Modern Techniques for Numerical Weather Prediction – A Picture Drawn from Kyrill.
Handbook of Geomathematics, Springer 2010 (in print)

Nowcasting

Um kurzfristige Entwicklungen in ihrer vollen Dynamik besser zu erfassen, betreibt mminternational ein eigenes Nowcasting System, in das aktuelle Messwerte des Stationsnetzes sowie Radar- und Blitzdaten einfließen. Radarbilder werden in Echtzeit analysiert, Gewitterzellen extrahiert und deren Verlagerung, Zuggeschwindigkeit sowie ihr Gefährdungsgrad ermittelt. Zusätzlich lässt sich mit Hilfe von Satellitenbildern aus unterschiedlichen Spektralkanälen die Bedeckungsart und der Bedeckungsgrad ermitteln. Damit kann das Entstehen von Gewitterzellen frühzeitig erkannt werden. Die Daten werden ständig autmatisch ausgewertet und den Meteorologen in den Unwetterzentralen zur Verfügung gestellt.

Numerische Modelle

Die Grundlage der meteorologischen Arbeit bilden sämtliche verfügbaren Wetterdaten. Hierzu zählen beispielsweise die Daten des sehr dichten Wetterstations-Netzes, Radar- und Blitzinformationen sowie Satellitenaufnahmen. Sie beschreiben den aktuellen Zustand unserer Atmosphäre, wie Temperatur, Windgeschwindigkeit und Feuchtigkeit unterschiedlicher Luftschichten.

Die Luftmasse selbst gehorcht den physikalischen Gesetzen der Thermo- und Strömungsdynamik. Damit ist es möglich, die Entwicklung des atmosphärischen Zustands mittels mathematischer Gleichungen zu beschreiben: Kennt man deren Lösung, so kennt man die bevorstehende Wetterentwicklung.

Obwohl die strömungsbeschreibenden Gleichungen seit fast 200 Jahren bekannt sind, ist deren Lösung überaus komplex und aufwändig. Für eine mehrfach tägliche globale Vorhersage sind selbst die weltweit schnellsten Rechner viele Stunden beschäftigt.
mminternational hat Zugriff auf die Ergebnisse von 15 Modellen, unter anderen die des europäischen (ECMWF), des englischen (UKMO/UKNA/UKNX) des amerikanischen (GFS/NAM/NAVGEM) und des deutschen Wetterdienstes (DWD).

Die Modelle unterscheiden sich in ihrer Auflösung und in ihren Eigenschaften. Unsere Meteorologen werten die relevanten Modelle aus und lassen Ihre langjährige Erfahrung in die Interpretation der zu erwartenden Wetterentwicklung einfließen.

Zusätzlich bilden die Modelle die Grundlage für unsere MOS-Systeme, die eine statistische Verfeinerung der zumeist gröber aufgelösten weltweiten Modelle berechnen. Durch diese Verfeinerung sind wir in der Lage, punktgenau lokale Wetterphänomene vorherzusagen.

Vorhersagen im Offshorebereich (RAVE Projekt)

Numerische Vorhersagemodelle stoßen aufgrund der Rechnerressourcen bei der Auflösung lokaler Wettererscheinungen schnell an ihre Grenzen, gerade auch im Offshorebereich. Mit Hilfe von Statistik-Vorhersagemodellen (MOS) ist es möglich, beispielsweise Windgeschwindigkeit wesentlich präziser vorherzusagen.

mminternational hat deshalb ein eigenes MOS-System entwickelt, das sogenannte Punkt-Vorhersagen erlaubt. Dazu wird der statistische Zusammenhang zwischen dem Output "grobmaschiger" Wettervorhersage-Modelle und lokaler Messdaten ermittelt.
mminternational liefert diese hochpräzisen Vorhersagen für die Forschungsplattform FINO 1 vor Borkum, und zwar in stündlicher Auflösung für die kommenden 10 Tage.
Im Rahmen des RAVE-Projektes stehen allen Projektträgern die Vorhersagen für FINO 1 zur Verfügung. Dieses Angebot soll helfen, die kurzen Zeitfenster für Montagezwecke und zukünftige Wartungsarbeiten des ersten Deutschen Offshorewindpark alpha ventus möglichst effektiv zu nutzen. Außerdem kann die erzeugte Windleistung für die kommenden 10 Tage prognostiziert werden, da Windprognosedaten für bis zu 100 m Höhe über den Meeresspiegel berechnet werden.

Sustainable Energy Management Projekt (SEMS)

Das SEMS (Sustainable Energy Management System) Projekt ist im 6. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union (EU) angesiedelt. Das mit 24 Partnern startende Vorhaben sieht vor, in ausgewiesenen Modellgemeinden der Länder Luxemburg, Deutschland, Österreich und Polen, Maßnahmen im Bereich der Energieeffizienz, der Energieeinsparung und insbesondere der Integration der Erneuerbaren Energien in die regionale (Strom-)Energieversorgung vorbildlich im Rahmen einer praktischen Umsetzung zu realisieren. Ziel ist es dabei, mittelfristig in den Regionen den Anteil der regenerativen Energie stark zu erhöhen und die Emission klimaschädigender Gase signifikant zu reduzieren.

Kooperation zwischen IZES und mminternational

• mminternational ist Wetterdatenlieferant und meteorologischer Ansprechpartner der IZES GmbH.
• Diese sind wiederum im Rahmen des SEMS-Projektes für den Bereich der Vernetzung, Modellierung/Simulation und Steuerung der regionalen Energieerzeuger über das SIEMENS-Tool DEMS – Dezentrales Energiemanagementsystem verantwortlich.

DEMS Dezentrales Energiemanagementsystem für erneuerbare Energien: Prognosefähigkeit und Einsatzplanung

• Die Basis für ein Dezentrales Energiemanagementsystem – DEMS ist die Prognosefähigkeit und Einsatzplanung.
• Diese Kriterien werden durch das Wetter als eine wesentliche Einflussgrösse auf die Bereitstellung von Strom aus Erneuerbaren Energien bestimmt.
• Auf dieser Grundlage wird die Gesamtheit von Erzeugung und Lasten voraussagt.

Weitere Informationen:

www.sems-project.eu