Entwicklung und Anwendung von statistischen Vorhersage- Interpretationsverfahren für Gewitternowcasting und Unwetterwarnungen unter Einbeziehung von Fernerkundungsdaten

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden statistische Vorhersagemethoden (MOS-Verfahren) untersucht im Hinblick auf deren Einsetzbarkeit für Nowcasting und Unwetterwarnungen unter besonderer Berücksichtigung von Fernerkundungsdaten. Dazu wird das bereits beim DWD operationell eingesetzte Blitzvorhersagesystem BMOS zur Vorhersage von Blitzereignissen bzw. Gewitter weiter verbessert sowie Systeme zur Vorhersage von Radarinformationen (RadarMOS) und der Zugbahn und Eigenschaften von Gewitterzellen (CellMOS) neu entwickelt. In einem letzten Schritt werden die Ergebnisse dieser Entwicklungen bzw. die Produkte dieser Systeme in das bereits vorhandene zentrale WarnMOS-System des DWD integriert und dessen Vorhersagequalität dadurch gesteigert. Zur Verbesserung von BMOS wird das Gitterpunktschema weiterentwickelt sowie die Methodik zur Assimilation und Advektion der Blitzortungsdaten erweitert. Bei der Neuentwicklung des RadarMOS-Systems werden die bereits bei BMOS verwendeten Methodiken für die Anwendung auf Wetterradardaten angepasst. Ziel der Entwicklung ist die Erzeugung von radarbezogenen Vorhersagen wie z.B. der Radarreflektivität (Radarbild der Zukunft) oder Wahrscheinlichkeiten für das Überschreiten bestimmter Reflektivitäts-Schwellenwerte. Um die in den anderen Systemen vorhandene Schwäche bei der Vorhersage individueller Gewitterzellen zu beheben, wird die allgemeine MOS-Methodik erweitert, so dass sie auch auf sich bewegenden Objekten (wie z.B. Gewitterzellen) anwendbar wird. Darauf basierend ist ein System entstanden, das in der Lage ist, die Zugbahn und die Eigenschaften individueller Gewitterzellen auf der Basis des MOS-Prinzips vorherzusagen. Für die Bereitstellung der entsprechenden Datenreihen werden außerdem Algorithmen zur Erkennung und Verfolgung von Gewitterzellen in Radar- und Blitzortungsdaten entwickelt und angewendet. In einem letzten Schritt werden die Ergebnisse bzw. die Produkte der oben angeführten Systeme in das WarnMOS-System des Deutschen Wetterdienstes integriert, indem die für Blitz- und RadarMOS entwickelten Prediktoren auch in WarnMOS bereitgestellt werden. Zusätzlich werden historische Vorhersagereihen von CellMOS als zusätzliche Prediktoren berechnet. Die Qualität der neuen bzw. verbesserten Systeme wird anhand ausgewählter Fallstudien überprüft. Dazu werden quasioperationelle Vorhersagen gerechnet und mit den tatsächlich eingetretenen Wetterzuständen qualitativ verglichen. Für die objektive Qualitätskontrolle wird für ausgewählte WarnMOS-Prediktanden eine Verifikationsstudie durchgeführt. Untersucht werden dazu quasioperationelle Vorhersagereihen. Anhand von RMSE- und RV-Werten wird die neu hinzugewonnene Vorhersagequalität überprüft und belegt.

With this study statistical forecast methods (Model Output Statistics (MOS) systems) are designed for the use in thunderstorm nowcasting and severe weather warnings. Special emphasis is put on the inclusion of remote sensing data like weather radar and lightning detection data. For this purpose the existing BMOS system that is operational at the German Weather Service (DWD) since 1999 was modified and further enhanced. Additional Systems for forecasting weather radar parameters (RadarMOS) and the trajectory and the attributes of thunderstorms (CellMOS) are developed. Finally the results of these Systems are embedded within a general statistical warning system (WarnMOS) that is operational at DWD since 2004. The quality of the WarnMOS forecasts are further improved. For the enhancement of the existing BMOS system the gridpoint scheme is being modified and the methods for assimilating and advecting lighting detection information is being upgraded. During new development of RadarMOS thesemethods from BMOS are adapted for application with weather radar data. Goal of this development is the generation of radar based forecasts like radar reflectivity (radar image of the future) or probabilities for the exeedance of typical relevant thresholds for severe weather. To close the gap in forecasting individual thunderstorms which cannot be provided by the other conventional MOS systems the general MOS approach is being advanced. The idea is to apply MOS on moving systems (e.g. thunderstorms). Based on this approach a new system is designed that is able to generate forecasts for the future trajectory and special attributes of single thunderstorms. For the preparation of predictand data sets algorithms for detecting and tracking thunderstorm cells in radar and lightning data are developed and applied. In a final step the results and products of these new or enhanced systems are being integrated in the WarnMOS system of the DWD. For this purpose the predictors used in BMOS and RadarMOS and historical forecasts of the CellMOS system are provided for the use in the WarnMOS system. The quality of the new or enhanced systems is verified with selected case studies. Quasioperational forecast sets are calculated and compared with the observed values. For objective quality control a verifications study for selected WarnMOS predictands is conducted by evaluating quasioperational forecasts data sets. With the computations of RMSE and RV values the new forecast quality is verified and proved.