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ensemble prediction system

 
     
  EPS, Ensemblevorhersage, ein seit Dezember 1992 am Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen (EZMW), Reading, England und in Washington beim amerikanischen Wetterdienst unter Real-time-Bedingungen laufendes Routinesystem der probabilistischen Wettervorhersage mit deterministischen Mitteln. Seit der amerikanische Meteorologe E.N. Lorenz Anfang der 1960er Jahre erkannte und nachwies, dass die Lösungen selbst einfachster, nicht-linearer Gleichungen infolge kleiner "Störungen" nach einer endlichen Anzahl von Rechenschritten unvorhersehbar chaotisch werden, eröffnete sich ein praktischer Zugang zur Symbiose von Dynamik und Stochastik. Die ab 1974 von Pitcher und Leith initiierten Vorhersagen nach der Monte-Carlo-Methode bedienten sich zufällig verteilter kleiner, d.h. unterhalb der Messgenauigkeit liegenden Abweichungen im globalen Anfangszustand der Atmosphäre, um einen Satz (verschiedener) Lösungen zu berechnen. Mit diesen epochalen Experimenten gewann die Meteorologie tiefere Kenntnis von einer grundsätzlich nur endlichen Vorhersagbarkeit atmosphärischer Prozesse. Dieses Insiderwissen einiger weniger Meteorologen wurde erst Mitte der 1980er Jahre weltweit aufgegriffen und führte zum Begriff des deterministischen Chaos. Im Laufe der weiteren experimentellen Forschung wurde klar, dass die beliebige zufällige Anordnung der Anfangsstörungen im Rahmen der Monte-Carlo-Methode zu einer unerwünschten Reduktion der Mannigfaltigkeit der Lösungen führte. Man fand heraus, dass gezielt eingebrachte Störungen sich nur dort unterschiedlich entwickelten, wo die Atmosphäre sensibel (instabil) genug ist, um wie gewünscht zu reagieren. Also musste in einem vorausgehenden Arbeitsschritt erst einmal geklärt werden, ob und wenn ja, wo solche empfindlichen Gebiete existieren. Das ensemble prediction system, als Nachfolger der Monte-Carlo-Idee, identifiziert sie (am EZMW) beispielsweise dort, wo die (sehr kleinen) Störungen in den ersten 48 Stunden maximal anwachsen. In diesem Zeitabschnitt kann das Fehlerwachstum adäquat linear beschrieben werden. Ende 1992 wählte man am EZMW 16 solcher entwicklungsfähigen Störungsfelder aus; weitere 16 entstanden durch einfache Umkehr der Vorzeichen, so dass schliesslich ein ganzes Ensemble von 32 verschiedenen, aber möglichen Lösungen der künftigen Wetterentwicklung zur Verfügung stand. Ab Dezember 1996 sind es sogar 50 (Abb. 1); ausserdem konnte ein Modell höherer räumlicher Auflösung eingesetzt werden: die Anzahl der Rechenflächen in der Vertikalen wuchs von 19 auf 31 und die Ordnung des Spektralmodells von 63 auf 159, d.h. das jetzige EPS-Modell ist "feiner" als das Routinemodell am Anfang der 1990er Jahre - die immer noch ungebremste Computerentwicklung machte es möglich. Das deterministische "Einzel"-Modell ist zur Zeit von der Ordnung 319; es benötigt nur 9% der gesamten Computerleistung, während für EPS etwa 50% aufgebracht werden müssen (Abb. 2).


Ende der 1990er Jahre griff man die Lorenzsche Erkenntnis wieder auf, wonach die Quelle, der Sitz der "Störungen", letztlich belanglos wird, da genausogut kleine Abweichungen in der Parametrisierung, der Modell-Orographie, ja sogar der Computer-Trunkation zu einem stochastisch strukturierten Ensemble unterschiedlicher, aber nicht beliebiger Lösungen führen.


Die Methode, geeignete "Anfangsstörungen" zu finden, unterscheidet sich in den USA und Kanada (bisher nur Experiment) vom EZMW-Ansatz. Es wird vermutet, dass eine Kombination der Lösungen verschiedener meteorologischer (Rechen-)Zeiten zu einer Verbesserung des ensemble prediction system insgesamt beitragen kann. Die ursprünglich auf die mittelfristige Wettervorhersage (Scale) konzentrierten EPS-Aktivitäten wurden inzwischen auf die Kurzfrist, die probabilistische Vorhersage der Verlagerungen aktueller tropischer Wirbelstürme, die ENSO- und Klimavorhersage erfolgreich ausgeweitet.




ensemble prediction systemensemble prediction system 1: EPS des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen vom 11. Juni 1997, 144-stündige Vorhersagen der Höhenwetterkarte (Geopotentialfeld 500 hPa) im Europaausschnitt. Dargestellt sind nur die Ensemble-Mitglieder Nr. 11-15, 21-25, 31-35; L = niedriger Druck, H = hoher Druck.

ensemble prediction systemensemble prediction system 2: EPS-Ergebnisse des EZMW vom 13. November 1997 für Neubrandenburg. Vorhersagen der Temperatur in 850 hPa (Ordinate, °C) für 10 Tage im voraus. Die "Rauchfahne" lässt an eine turbulente Diffusion einer idealen, kategorischen Lösung in einer realen, probabilistischen Welt erinnern. Die dicken Kurven repräsentieren die herkömmlichen deterministischen Einzel-Lösungen, die sich - innerhalb gewisser Grenzen - durchaus als zufällig erweisen.
 
 

 

 

 
 
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