Neues Prognosemodell für Hurrikane
Verfasst: So 9. Sep 2007, 13:31
Hallo,
diesen interessanten Artikel las ich heute in der Sonntagszeitung:
Forscher wirbeln im Auge des Sturms
Mit einem neuen Prognosemodell lassen sich Hurrikane dreidimensional darstellen und die Intensität genau vorhersagen
VON JOACHIM LAUKENMANN
Hurrikane sind die gewaltigsten Dampfwalzen des Planeten. Etwa zwei Millionen Tonnen Wasserdampf saugt ein Hurrikan täglich aus dem Meer, wirbelt ihn in seinem Innern mit stürmischen Winden umher und entlässt die Fracht als fürchterliche Sturzflut. Trifft er auf die Küste, können die Folgen verheerend sein. Allein der Hurrikan Katrina forderte vor zwei Jahren rund 1300 Menschenleben und verursachte einen volkswirtschaftlichen Schaden von rund 130 Milliarden Dollar. Auch die Hurrikane der letzten Wochen mit Namen Dean, Felix und Henriette hinterliessen eine Spur der Verwüstung.
Um Infrastrukturen rechtzeitig zu schützen und betroffene Regionen notfalls zu evakuieren, ist die Präzision der Hurrikanvorhersage von entscheidender Bedeutung. Während die Prognose der Richtung, die gewöhnliche Hurrikane einschlagen, bereits heute recht gut gelingt, ist die Vorhersage von deren Intensität weit schwieriger: Trifft der Hurrikan als Sturm der höchsten Kategorie 5 aufs Festland – wie diese Woche Felix? Oder wird er gerade rechtzeitig zu einem Hurrikan der Kategorie 3 wie Katrina kurz vor New Orleans?
«Die Intensitätsprognose ist das zentrale Thema der aktuellen Hurrikanforschung», sagt Naomi Surgi vom US-amerikanischen Environmental Modeling Center mit Sitz in Camp Springs, Maryland. «Wir wollen nicht nur wissen, wo ein Sturm auf die Küste trifft, sondern auch wie kraftvoll.»
Heute kommen bei der Intensitätsprognose meist simple statistische Modelle zum Einsatz. Auf Erfahrungswerten vergangener Hurrikane aufbauend, wird damit eine Intensitätsprognose gemacht.
Flugzeuge fliegen ins Zentrum des Hurrikans und liefern Daten
Um das zuverlässiger und viel detaillierter zu schaffen, hat Surgi mit Kollegen in den letzten sechs Jahren ein neues Hurrikan-Prognosemodell entwickelt, das Hurricane Weather and Research Forecast System (HWRF), das diesen Sommer erstmals vom National Hurricane Centre (NHC) eingesetzt wird. «HWRF ist wohl das derzeit beste Modell, um die Bahn und Intensität eines Hurrikans zwei bis drei Tage im Voraus zu berechnen», sagt Huw Davies vom Institut für Atmosphäre und Klima der ETH Zürich. Wie gut HWRF ist, zeigt der Vergleich von Prognose und Messung für den Hurrikan Dean.
Seinem Vorgängermodell Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFLD), das seit 1995 beim NHC in Gebrauch ist und stetig optimiert wurde, ist HWRF in mehrfacher Hinsicht überlegen. «HWRF greift auf eine grössere Vielfalt an Messwerten zurück als jedes andere Hurrikan-Prognosemodell», sagt Isaac Ginis, Mitentwickler von HWRF von der University of Rhode Island in Richmond.
Als einziges Hurrikan-Simulationsprogramm kann HWRF für den Start der Simulation die Daten von Flugzeugen verwerten, die mitten ins Zentrum der Hurrikane fliegen. Mit speziellem Radar ausgerüstet, machen die Flugzeuge ein räumliches Bild von der Windstruktur des Hurrikans sowie von dessen Temperatur- und Niederschlagsverteilung.
Zudem werfen sie Messsonden ab. Diese funken Werte über Feuchtigkeit, Druck und Temperatur ans Flugzeug zurück. «So bekommen wir ein dreidimensionales Bild des gesamten Hurrikans und seiner Umgebung», sagt Surgi. Dies sei von fundamentaler Bedeutung, um die Intensitätsvorhersage zu verbessern und die genaue Ausdehnung des Hurrikans zu prognostizieren. Ergänzt werden diese Daten durch Messungen der Meeresströmung und -temperatur. «Es ist enorm schwie rig, eine Computersimulation so zu gestalten, dass sie all diese Informationen aufnehmen und sofort verarbeiten kann», sagt ETH-Forscher Davies.
Um die Zukunft eines Hurrikans mit dieser Fülle an Ausgangsdaten möglichst detailliert zu berechnen, setzt Surgi neben einem leistungsstarken Supercomputer auf einen Trick: Wenn sich der simulierte Hurrikan bewegt, wandert der simulierte Raumbereich mit. So befindet sich der Hurrikan immer im Zentrum der Simulation und somit im Bereich der höchsten Detailauflösung.
Die Meerestemperatur muss höher als 26 Grad sein
Neben der Erfassung des aktuellen Zustands eines Hurrikans ist dessen korrekte physikalische Modellierung entscheidend für die Zuverlässigkeit einer Prognose. Und das ist äusserst komplex.
Grundvoraussetzung für die Entstehung eines Hurrikans ist eine Meerestemperatur von mehr als 26 Grad. Geboren wird ein Hurrikan aus einer Tiefdruckstörung, die viel feuchte Luft mitführt. Meist bildet sich nur dann ein Hurrikan, wenn der Abstand des Tiefs zum Äquator mehr als 500 Kilometer beträgt. Denn nur dort wirkt als Folge der Erdrotation die Coriolis-Kraft stark genug und bringt die Wolkentürme zum rotieren. In der Wolkenwand, die das zentrale Auge umgibt, herrschen mittlere Windgeschwindigkeiten von bis zu 300 Kilometern pro Stunde.
Zentral für die Entwicklung der Intensität eines Hurrikans ist der Nachschub an feuchtwarmer Luft von der Meeresoberfläche. «Über den Energieaustausch zwischen dem Ozean und den unteren Atmosphärenschichten haben wir in den letzten Jahren viel gelernt», sagt Naomi Surgi vom US-amerikanischen Environmental Modeling Center. Und dieses Wissen wurde in HWRF implementiert: Das Programm ist an ein Ozeanmodell gekoppelt, das sowohl Meeresströmungen als auch die Temperaturverteilung des Meeres simuliert. Auch die Vorgänge, die den Nachschub an Wasserdampf bestimmen, sowie die Wolkenphysik sind laut Surgi detailliert in HWRF enthalten.
Künftig soll die Hurrikansimulation auch ein Modell enthalten, das die vom Hurrikan ausgelöste Sturmflut berechnet, sowie ein Wellenmodell, das die auf der Sturmflut sitzenden Wellen bestimmt. Diese Wellenprognosen sind entscheidend, um die Überflutungsgefahr abzuschätzen, wenn der Hurrikan auf die Küste trifft. Zudem wird HWRF in den nächsten Jahren mit einem Landmodell verknüpft, mit dem sich die Entwicklung eines Hurrikans über Land besser berechnen lässt.
Drei Jahre – 2004, 2005 und 2006 – wurde HWRF auf Herz und Nieren geprüft. Schon 2005 war das Prototypprogramm teilweise besser als der Vorgänger GFLD. Zum Beispiel konnte HWRF den Verlauf von Hurrikan Katrina sehr gut berechnen und vorhersagen, dass Katrina über dem Golf von Mexiko zu einem Wirbelsturm der höchsten Kategorie 5 anwachsen wird. Das alte Modell war dazu nicht in der Lage.
Die Prognose muss sehr schnell verfügbar sein
«HWRF ist wirklich das Aufsehen erregendste Hurrikanprogramm, das wir haben», sagt Surgi. Auch die Bahn und Intensität besonders unberechenbarer Hurrikane wie Ophelia, der im September 2005 auf kringelförmigem Weg der amerikanischen Ostküste entlang brauste, sollen mit HWRF vorhersagbar werden.
Limitiert ist HWRF momentan in erster Linie durch die räumliche Auflösung der Simulation. In deren zentralen Bereich werden Daten wie Wind und Niederschlag an Gitterpunkten berechnet, die neun Kilometer auseinander liegen. Zudem ist der Hurrikan vertikal in ein Sandwich aus 24 Schichten zerlegt. Ein für die Intensitätsentwicklung sehr wichtiger Prozess – der Austausch der innersten Wolkenwand – lässt sich mit dieser Auflösung nur für sehr grosse Hurrikane vorhersagen.
Eine noch detailliertere Simulation ist erst in den kommenden Jahren möglich, wenn die Computerleistung steigt. «Denn die Prognose eines Hurrikans muss innerhalb einer Stunde berechnet sein», sagt Ginis, «sonst ist das Modell für die Praxis untauglich.» Für Forschungszwecke wurde der Vorgang des Wolkenwandaustausches bereits mit höherer Auflösung simuliert.
An sein Limit kam HWRF vergangene Woche bei Felix. Er war ein kleiner Sturm, der sich quasi über Nacht zu einem Hurrikan der Kategorie 5 intensivierte. «Alle Modelle haben Probleme, solch schnelle Änderungen vorherzusagen», sagt Surgi. «Aber wir hatten Glück.» Denn in der Nacht, in der Felix an Kraft gewann, waren Flugzeuge im Hurrikan unterwegs und sammelten Daten. «Nun hoffen wir, auch das Phänomen der raschen Intensivierung mit HWRF bald besser in den Griff zu kriegen.»
Quelle: http://www.sonntagszeitung.ch/dyn/news/ ... 88950.html
diesen interessanten Artikel las ich heute in der Sonntagszeitung:
Forscher wirbeln im Auge des Sturms
Mit einem neuen Prognosemodell lassen sich Hurrikane dreidimensional darstellen und die Intensität genau vorhersagen
VON JOACHIM LAUKENMANN
Hurrikane sind die gewaltigsten Dampfwalzen des Planeten. Etwa zwei Millionen Tonnen Wasserdampf saugt ein Hurrikan täglich aus dem Meer, wirbelt ihn in seinem Innern mit stürmischen Winden umher und entlässt die Fracht als fürchterliche Sturzflut. Trifft er auf die Küste, können die Folgen verheerend sein. Allein der Hurrikan Katrina forderte vor zwei Jahren rund 1300 Menschenleben und verursachte einen volkswirtschaftlichen Schaden von rund 130 Milliarden Dollar. Auch die Hurrikane der letzten Wochen mit Namen Dean, Felix und Henriette hinterliessen eine Spur der Verwüstung.
Um Infrastrukturen rechtzeitig zu schützen und betroffene Regionen notfalls zu evakuieren, ist die Präzision der Hurrikanvorhersage von entscheidender Bedeutung. Während die Prognose der Richtung, die gewöhnliche Hurrikane einschlagen, bereits heute recht gut gelingt, ist die Vorhersage von deren Intensität weit schwieriger: Trifft der Hurrikan als Sturm der höchsten Kategorie 5 aufs Festland – wie diese Woche Felix? Oder wird er gerade rechtzeitig zu einem Hurrikan der Kategorie 3 wie Katrina kurz vor New Orleans?
«Die Intensitätsprognose ist das zentrale Thema der aktuellen Hurrikanforschung», sagt Naomi Surgi vom US-amerikanischen Environmental Modeling Center mit Sitz in Camp Springs, Maryland. «Wir wollen nicht nur wissen, wo ein Sturm auf die Küste trifft, sondern auch wie kraftvoll.»
Heute kommen bei der Intensitätsprognose meist simple statistische Modelle zum Einsatz. Auf Erfahrungswerten vergangener Hurrikane aufbauend, wird damit eine Intensitätsprognose gemacht.
Flugzeuge fliegen ins Zentrum des Hurrikans und liefern Daten
Um das zuverlässiger und viel detaillierter zu schaffen, hat Surgi mit Kollegen in den letzten sechs Jahren ein neues Hurrikan-Prognosemodell entwickelt, das Hurricane Weather and Research Forecast System (HWRF), das diesen Sommer erstmals vom National Hurricane Centre (NHC) eingesetzt wird. «HWRF ist wohl das derzeit beste Modell, um die Bahn und Intensität eines Hurrikans zwei bis drei Tage im Voraus zu berechnen», sagt Huw Davies vom Institut für Atmosphäre und Klima der ETH Zürich. Wie gut HWRF ist, zeigt der Vergleich von Prognose und Messung für den Hurrikan Dean.
Seinem Vorgängermodell Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFLD), das seit 1995 beim NHC in Gebrauch ist und stetig optimiert wurde, ist HWRF in mehrfacher Hinsicht überlegen. «HWRF greift auf eine grössere Vielfalt an Messwerten zurück als jedes andere Hurrikan-Prognosemodell», sagt Isaac Ginis, Mitentwickler von HWRF von der University of Rhode Island in Richmond.
Als einziges Hurrikan-Simulationsprogramm kann HWRF für den Start der Simulation die Daten von Flugzeugen verwerten, die mitten ins Zentrum der Hurrikane fliegen. Mit speziellem Radar ausgerüstet, machen die Flugzeuge ein räumliches Bild von der Windstruktur des Hurrikans sowie von dessen Temperatur- und Niederschlagsverteilung.
Zudem werfen sie Messsonden ab. Diese funken Werte über Feuchtigkeit, Druck und Temperatur ans Flugzeug zurück. «So bekommen wir ein dreidimensionales Bild des gesamten Hurrikans und seiner Umgebung», sagt Surgi. Dies sei von fundamentaler Bedeutung, um die Intensitätsvorhersage zu verbessern und die genaue Ausdehnung des Hurrikans zu prognostizieren. Ergänzt werden diese Daten durch Messungen der Meeresströmung und -temperatur. «Es ist enorm schwie rig, eine Computersimulation so zu gestalten, dass sie all diese Informationen aufnehmen und sofort verarbeiten kann», sagt ETH-Forscher Davies.
Um die Zukunft eines Hurrikans mit dieser Fülle an Ausgangsdaten möglichst detailliert zu berechnen, setzt Surgi neben einem leistungsstarken Supercomputer auf einen Trick: Wenn sich der simulierte Hurrikan bewegt, wandert der simulierte Raumbereich mit. So befindet sich der Hurrikan immer im Zentrum der Simulation und somit im Bereich der höchsten Detailauflösung.
Die Meerestemperatur muss höher als 26 Grad sein
Neben der Erfassung des aktuellen Zustands eines Hurrikans ist dessen korrekte physikalische Modellierung entscheidend für die Zuverlässigkeit einer Prognose. Und das ist äusserst komplex.
Grundvoraussetzung für die Entstehung eines Hurrikans ist eine Meerestemperatur von mehr als 26 Grad. Geboren wird ein Hurrikan aus einer Tiefdruckstörung, die viel feuchte Luft mitführt. Meist bildet sich nur dann ein Hurrikan, wenn der Abstand des Tiefs zum Äquator mehr als 500 Kilometer beträgt. Denn nur dort wirkt als Folge der Erdrotation die Coriolis-Kraft stark genug und bringt die Wolkentürme zum rotieren. In der Wolkenwand, die das zentrale Auge umgibt, herrschen mittlere Windgeschwindigkeiten von bis zu 300 Kilometern pro Stunde.
Zentral für die Entwicklung der Intensität eines Hurrikans ist der Nachschub an feuchtwarmer Luft von der Meeresoberfläche. «Über den Energieaustausch zwischen dem Ozean und den unteren Atmosphärenschichten haben wir in den letzten Jahren viel gelernt», sagt Naomi Surgi vom US-amerikanischen Environmental Modeling Center. Und dieses Wissen wurde in HWRF implementiert: Das Programm ist an ein Ozeanmodell gekoppelt, das sowohl Meeresströmungen als auch die Temperaturverteilung des Meeres simuliert. Auch die Vorgänge, die den Nachschub an Wasserdampf bestimmen, sowie die Wolkenphysik sind laut Surgi detailliert in HWRF enthalten.
Künftig soll die Hurrikansimulation auch ein Modell enthalten, das die vom Hurrikan ausgelöste Sturmflut berechnet, sowie ein Wellenmodell, das die auf der Sturmflut sitzenden Wellen bestimmt. Diese Wellenprognosen sind entscheidend, um die Überflutungsgefahr abzuschätzen, wenn der Hurrikan auf die Küste trifft. Zudem wird HWRF in den nächsten Jahren mit einem Landmodell verknüpft, mit dem sich die Entwicklung eines Hurrikans über Land besser berechnen lässt.
Drei Jahre – 2004, 2005 und 2006 – wurde HWRF auf Herz und Nieren geprüft. Schon 2005 war das Prototypprogramm teilweise besser als der Vorgänger GFLD. Zum Beispiel konnte HWRF den Verlauf von Hurrikan Katrina sehr gut berechnen und vorhersagen, dass Katrina über dem Golf von Mexiko zu einem Wirbelsturm der höchsten Kategorie 5 anwachsen wird. Das alte Modell war dazu nicht in der Lage.
Die Prognose muss sehr schnell verfügbar sein
«HWRF ist wirklich das Aufsehen erregendste Hurrikanprogramm, das wir haben», sagt Surgi. Auch die Bahn und Intensität besonders unberechenbarer Hurrikane wie Ophelia, der im September 2005 auf kringelförmigem Weg der amerikanischen Ostküste entlang brauste, sollen mit HWRF vorhersagbar werden.
Limitiert ist HWRF momentan in erster Linie durch die räumliche Auflösung der Simulation. In deren zentralen Bereich werden Daten wie Wind und Niederschlag an Gitterpunkten berechnet, die neun Kilometer auseinander liegen. Zudem ist der Hurrikan vertikal in ein Sandwich aus 24 Schichten zerlegt. Ein für die Intensitätsentwicklung sehr wichtiger Prozess – der Austausch der innersten Wolkenwand – lässt sich mit dieser Auflösung nur für sehr grosse Hurrikane vorhersagen.
Eine noch detailliertere Simulation ist erst in den kommenden Jahren möglich, wenn die Computerleistung steigt. «Denn die Prognose eines Hurrikans muss innerhalb einer Stunde berechnet sein», sagt Ginis, «sonst ist das Modell für die Praxis untauglich.» Für Forschungszwecke wurde der Vorgang des Wolkenwandaustausches bereits mit höherer Auflösung simuliert.
An sein Limit kam HWRF vergangene Woche bei Felix. Er war ein kleiner Sturm, der sich quasi über Nacht zu einem Hurrikan der Kategorie 5 intensivierte. «Alle Modelle haben Probleme, solch schnelle Änderungen vorherzusagen», sagt Surgi. «Aber wir hatten Glück.» Denn in der Nacht, in der Felix an Kraft gewann, waren Flugzeuge im Hurrikan unterwegs und sammelten Daten. «Nun hoffen wir, auch das Phänomen der raschen Intensivierung mit HWRF bald besser in den Griff zu kriegen.»
Quelle: http://www.sonntagszeitung.ch/dyn/news/ ... 88950.html