Eine unserer Hauptaufgaben im Sommer ist die Warnung vor Gewittern. Um deren Entwicklung und Zugbahn für die nächsten Stunden möglichst genau vorherzusagen, stehen unterschiedliche Vorhersageverfahren zur Verfügung. Für die unmittelbare Zukunft liefert das sogenannte Nowcasting besonders wertvolle Informationen. Es basiert wesentlich auf aktuellen Beobachtungen. Dazu gehören Fernerkundungsmessungen wie Radar, Satellit und Blitzmessungen. Auch Nutzermeldungen, beispielsweise aus der WarnWetter-App, können zusätzliche Informationen über das aktuelle Wetter liefern.
Aus diesen Beobachtungen lassen sich die Position, Zugrichtung und Entwicklung von Niederschlags- und Gewitterzellen kurzfristig relativ gut abschätzen. Eine wichtige Rolle spielt dabei KONRAD-3D. Das Verfahren erkennt konvektive Zellen automatisch in den Radardaten und liefert unter anderem Informationen über deren Position und Intensität. Aus der bisherigen Bewegung können Vorhersagen über die weitere Zugbahn einschließlich ihrer Unsicherheit abgeleitet werden.
Mit zunehmender Vorhersagezeit stößt das Nowcasting jedoch an Grenzen. Gewitterzellen werden nicht einfach nur verlagert, sondern können sich verstärken, abschwächen, auflösen oder neu entstehen. Solche Entwicklungen lassen sich nicht allein aus der bisherigen Bewegung ableiten. Hier kommen numerische Wettervorhersagemodelle (NWV) ins Spiel. Sie berechnen auf Grundlage der physikalischen Prozesse in der Atmosphäre deren weitere Entwicklung und können damit deutlich weiter in die Zukunft blicken. Für die hochaufgelöste numerische Kurzfristvorhersage wird am DWD unter anderem ICON-D2 eingesetzt.
Damit treffen zwei unterschiedliche Stärken aufeinander: Nowcasting beschreibt besonders gut, was gerade passiert, während die numerische Wettervorhersage besser darin ist, zu beschreiben, was daraus entstehen kann. Allerdings können kleinräumige Strukturen wie Gewitterzellen in der numerischen Wettervorhersage zu Beginn noch nicht optimal erfasst werden. Gerade bei schnelllebiger Konvektion kann es daher zunächst zu Abweichungen bei Position, Struktur und Intensität kommen.
Bisher entstand dadurch ein Übergang zwischen den beiden Vorhersagemethoden. Anschaulich lässt sich dies beispielsweise in der WarnWetter-App beobachten: Geht man mit dem Zeitslider in die Zukunft, werden Gewitterzellen zunächst auf Grundlage des Nowcastings ohne Entwicklung weiterverlagert. Später übernimmt die numerische Wettervorhersage. Zwischen beiden Ansätzen entsteht dabei ein deutlich sichtbarer Bruch.
Wie diese Verbindung verbessert werden kann, zeigt das folgende Diagramm.
Das Diagramm stellt vereinfacht dar, wie sich die Qualität verschiedener Vorhersageverfahren mit zunehmender Vorhersagezeit verändert. Auf der horizontalen Achse nimmt die Vorhersagezeit von der unmittelbaren Gegenwart in die Zukunft zu. Die vertikale Achse beschreibt die Vorhersagequalität: Je höher der Wert, desto besser die Vorhersage.
Die rote Kurve zeigt die Vorhersagequalität des Nowcastings. Zu Beginn ist sie besonders hoch, da aktuelle Beobachtungen direkt in die Vorhersage eingehen. Mit zunehmender Vorhersagezeit nimmt die Qualität jedoch ab. Die blaue Kurve beschreibt die numerische Wettervorhersage. Sie startet zunächst auf einem niedrigeren Qualitätsniveau, gewinnt aber mit zunehmender Vorhersagezeit an Bedeutung und übertrifft schließlich das Nowcasting.
Genau hier setzt SINFONY, das „Seamless INtegrated FOrecastiNg sYstem“ an. Die Grundidee besteht darin, die Stärken beider Verfahren zu verbinden: die hohe Qualität des Nowcastings für die unmittelbare Zukunft und die physikalisch konsistente Entwicklung der numerischen Wettervorhersage für die weitere Zukunft.
Dazu werden zunächst beide Seiten verbessert. Im Diagramm ist dies durch die gestrichelten Linien dargestellt. Das Nowcasting wird unter anderem durch verbesserte Verfahren wie KONRAD-3D sowie durch eine höhere Datenqualität und verbessertes Postprocessing weiterentwickelt.
Auch die numerische Wettervorhersage wird speziell für diesen kurzen Vorhersagezeitraum verbessert. Mit ICON-RUC wird ein lokales Modell eingesetzt, das jede Stunde neu gestartet wird. RUC steht dabei für „Rapid Update Cycle“. Durch die häufigere Aktualisierung steht ein deutlich aktuellerer Modellzustand zur Verfügung. Zudem wurde das Modell darauf ausgerichtet, beobachtete Radarstrukturen möglichst realistisch zu simulieren.
Damit können die Informationen aus beiden Welten miteinander verbunden werden. Für das Nowcasting werden die Unsicherheiten der vorhergesagten Zellbewegungen berücksichtigt. Gleichzeitig können auf das ICON-RUC-Ensemble entsprechende Verfahren angewendet werden, sodass sich Informationen über mögliche Zellpositionen und Entwicklungen aus Nowcasting und numerischer Wettervorhersage kombinieren lassen. Daraus können unter anderem Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten und die weitere Entwicklung konvektiver Zellen abgeleitet werden.
Das Ergebnis ist unter anderem die Grundidee von KONRAD-3D-SINFONY: Statt zwischen zwei unterschiedlichen Vorhersagemethoden umzuschalten, soll eine möglichst nahtlose Vorhersage entstehen, vom aktuell beobachteten Wetter bis in die weitere Kurzfrist.
SINFONY verbindet damit das Beste aus beiden Welten: die Stärke des Nowcastings in der unmittelbaren Zukunft mit der Stärke der numerischen Wettervorhersage beim Blick in die weitere Zukunft.