Assimilation innovativer bodengebundener Fernerkundungsdaten in ein numerisches Wettervorhersagemodell zur Verbesserung der Modellvorhersagen und zum besseren Verständnis von Grenzschichtprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde die Assimilation von zwei bodengebundene Fernerkundungsgeräten, dem Mikrowellenradiometer und dem Doppler-Lidar, entwickelt, und ihr Einfluss im Rahmen des numerischen Wettervorhersagemodells ICON-D2 untersucht. Das Assimilationssystem war der „Local Ensemble Transform Kalman Filter“ (LETKF), der für die operationelle Wettervorhersage für das Regionalmodell eingesetzt wird. Daten stammen vom HATPRO-G5 Mikrowellenradiometer und vom HALO Photonics Doppler Lidar, beide Geräte stehen am meteorologischen Observatorium in Lindenberg nahe Berlin. Für das Mikrowellenradiometer wurden die Beobachtungsdaten über einen Vorwärtsoperator (RTTOV-gb) in das Assimilationssystem eingebunden. Es stellte sich heraus, dass es aufgrund der Beobachtungsfehlerkorrelationen besser ist, nicht alle 14 Kanäle auf einmal zu assimilieren, sondern sich auf 1-2 Kanäle zu beschränken, da aktuell im LETKF aktuell Beobachtungsfehlerkorrelationen zwischen verschiedenen Kanälen nicht explizit berücksichtig werden können. Es wurden detaillierte Untersuchungen über die optimale vertikale Lokalisierung und den Beobachtungsfehler (mit Hilfe der Desrozier-Methode) durchgeführt, und so konnte ein positiver Einfluss vor allem auf die Vorhersage der Temperatur, aber auch auf die Feuchte in der unteren Troposphäre erreicht werden. Für die Feuchtekanäle wurde ein Wolkenscreening durchgeführt, um die Daten nur unter wolkenfreien Bedingungen zu assimilieren. Für die Temperaturkanäle, deren größte Sensitivität in der unteren Grenzschicht liegt, konnte auch unter bewölkten Bedingungen ein positiver Impact erreicht werden (unter leichter Erhöhung des Beobachtungsfehlers). Die Integration des Doppler-Lidars in das Datenassimilations-System war deutlich einfacher, da es hier keinen komplexen Vorwärtsoperator braucht, um die Modelläquivalente zu berechnen. Auch hier wurden detaillierte Untersuchungen und Experimente durchgeführt, um herauszufinden, wie das System optimal genutzt werden kann. Es stellte sich heraus, dass die Mittelungszeit der Beobachtungsdaten hier eine große Rolle spielt, für die Skala des ICON-D2 ist es optimal, die Wind-Daten über 10 Minuten zu mitteln. Des Weiteren wurde mit Hilfe der Desrozier-Methode der optimale Beobachtungsfehler iterativ geschätzt, und die Daten vertikal ausgedünnt. Als Fazit stellte sich die Verifikation der Experimente im Laufe des Projekts als größte Schwierigkeit heraus. Für das Mikrowellenradiometer sind wir angewiesen auf Verifikation gegen Temperatur- und Feuchteprofile. Dafür waren aber nur alle sechs Stunden Radiosondenaufstiege als Messungen verfügbar, was die Signifkanz der erzielten Ergebnisse oft stark reduzierte. Für das Doppler-Lidar konnte ein ebenfalls am meteorologischen Observatorium stehender Wind-Profiler, der auch kontinuierlich Windmessungen liefert, als Verifikationsdatenquelle herangezogen werden, so dass die Experimente mit dem Doppler- Lidar zur Verbesserung der Windgeschwindigkeit als deutlich belastbarer angesehen werden können. So kann man für die Assimilation des Mikrowellenradiometer einen positiven Impact gegenüber Referenzexperimenten feststellen, aber die Sensitivität bezüglich verschiedener Einstellungen z.B. in Bezug auf die vertikale Lokalisierung ist deutlich kleiner und nicht mit statistisch signifikanten Ergebnissen belegbar. Für das Doppler-Lidar erhielten wir einen deutlich positiven Einfluss auf die Vorhersage in unseren ersten Experimenten, jedoch wurden in den letzten Jahren in dem operationellen Assimilationssystem weitere Winddaten hinzugenommen, wie die Radialwinde der Niederschlagsradare und eine deutliche höhere Anzahl von MODE-S Winden. Dies führte dazu, dass in den aktuellsten Experimenten schon viel Wind-Information in der Lindenberger Gegend vorhanden ist, und der positive Impact weniger stark ausgeprägt ist. Jedoch kann in Einzelfällen ein positiver Impact eines Windlidars erwartet werden, und auch in Situationen in denen der Flugverkehr eingeschränkt ist. Generell ist es schwierig, wirklich belastbare Ergebnisse für ein einzelnes Gerät zu bekommen. Da nun aber die Entwicklungen an dem einen Gerät so weit vorangetrieben wurden, kann man in naher Zukunft, wenn mehr Doppler-Lidare im Messnetz verfügbar sind, Folgeexperimente einfach aufsetzen.
