ICON (Icosahedral Nonhydrostatic) Modell
Links: Darstellung der Ikosaeder-Gitterstruktur des ICON
Rechts: Beispiel eines ICON-Gitters mit Verfeinerungsgebiet über Europa
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Der DWD gehört zu den vierzehn Wetterdiensten weltweit, die ein globales Wettervorhersagemodell betreiben. Alle anderen Wetterdienste mit eigener Modellierung beschränken sich auf Ausschnittsmodelle, die das Wetter nur für eine bestimmte geographische Region vorhersagen. Solche Modelle benötigen aber an den seitlichen Rändern des Modellgebietes die Vorhersagen eines globalen Modells als Antrieb.
Das Vorgängermodell von ICON - das 1999 in den operationellen Betrieb gegangene GME - war das weltweit erste operationelle Wettervorhersagemodell, das die Vorhersage auf der Basis eines den Globus vollständig umspannenden Dreiecksgitters berechnete. Diese Gitterstruktur wurde für ICON im Grundsatz beibehalten. Gegenüber konventionellen Gitterstrukturen wie dem geographischen Gitter bietet das Dreiecksgitter den Vorteil einer sehr geringen Variabilität der Fläche der Gitterelemente. Das im geographischen Gitter auftretende Polproblem, bedingt durch die Konvergenz der Meridiane mit Annäherung an die Pole, existiert darin nicht.
Ein in die Erdkugel platziertes Ikosaeder bildet den Kern der Gitterstruktur. Durch Verbindung der 12 Eckpunkte des Ikosaeders mit Großkreisabschnitten auf der Kugel entstehen 20 gleichseitige sphärische Dreiecke mit einer Seitenlänge von rund 7054 km. Durch sukzessive Unterteilung (zum Beispiel Halbierung) der sphärischen Dreiecke wird das Gitter der gewünschten Modellauflösung erzeugt. Als effektive Maschenweite wird dabei die Wurzel der mittleren Fläche der sphärischen Dreiecke betrachtet; sie beträgt beim ICON zurzeit 13 km. Die eigentlichen Modellgitterpunkte liegen dabei für alle skalaren Variablen (z.B. Temperatur, Dichte, Druck, Feuchtegrößen) im Umkreismittelpunkt der Dreiecke, während die horizontalen Windkomponenten auf den Kantenmittelpunkten liegen. Insgesamt beträgt die Zahl der Dreiecke bei 13 km Maschenweite 2.949.120.
ICON-Orographie bei einer Maschenweite von 13 km für den westlichen Teil Europas
Die mittlere Fläche der Gitterelemente beträgt (bei einer Maschenweite von 13 km) 173 km2. Alle Modellvariablen wie Luftdichte, Temperatur, Wind, Wasserdampf, Wolkenwasser, Wolkeneis sowie Regen- und Schneegehalt, sind als Mittelwerte über die Gitterelemente, d.h. über eine Fläche von 173 km2, anzusehen. Dies gilt auch für die externen Parameter wie z.B. die Orographie (siehe Abbildung Orographie Europa). Wenngleich größere Gebirgsmassive bei einer Maschenweite von 13 km bereits recht gut wiedergegeben werden können, erfordern viele lokale Details der Landschaft, die in manchen Situationen auch einen prägenden Einfluss auf das Wetter haben können, eine noch feinere Auflösung. Die Vorhersage solcher lokalen Effekte, wie beispielsweise der Kanalisierung der Strömung im Rheintal oder der Land- und Seewindzirkulation an Nord- und Ostsee, ist die Aufgabe des hochauflösenden Regionalmodells ICON-D2 mit einer Maschenweite von 2,1 km.
Die wichtigsten Vorhersagevariablen des ICON sind: Luftdichte und (potentielle) Temperatur, daraus abgeleitet der Luftdruck, horizontale und vertikale Windkomponenten, Wasserdampf, Wolkenwasser, Wolkeneis, Regen und Schnee auf 120 Modellschichten in der Atmosphäre vom Boden bis in 75 km Höhe. Die Erdatmosphäre wird im ICON also durch 2.949.120 x 120 = 354 Millionen Gitterpunkte beschrieben. Über Land werden zusätzlich die Temperatur und der Bodenwasser- und Eisgehalt für sieben Erdbodenschichten sowie der Wassergehalt und die Dichte des Schnees vorhergesagt. Über den Ozeanen wird die Temperatur der eisfreien Meeresoberflächen einmal täglich aus Beobachtungen analysiert und während der ICON-Vorhersage festgehalten. Für die Meereisflächen werden die Dicke und die Oberflächentemperatur des Eises prognostiziert, während die Eisbedeckung (Meereismaske) täglich aus Beobachtungen analysiert wird.
Schematische Darstellung der im ICON simulierten physikalischen Prozesse und der sie beeinflussenden und von ihnen beeinflussten Größen. Physikalische Prozesse im ICON
Neben den horizontalen und vertikalen Transportvorgängen in der Atmosphäre (den so genannten adiabatischen Prozessen) spielen diabatische Prozesse wie Strahlung, Turbulenz, Wolkenbildung und Niederschlag eine wesentliche Rolle für die Wettervorhersage. Ziel der physikalischen Parametrisierungen ist es, diese diabatischen Prozesse, deren räumliche Skala üblicherweise viel kleiner als die Maschenweite des Wettervorhersagemodells ist, geeignet zu beschreiben.
Im täglichen Routineeinsatz des ICON ist zwischen dem Datenassimilationszyklus und dem Vorhersagemodus zu unterscheiden. Um den Anfangszustand (Analyse) für die ICON-Vorhersagen zu bestimmen, werden im Rahmen der Datenassimilation jeweils dreistündige ICON-Vorhersagen (der so genannte First Guess: Schätzwert) durch alle für diesen Zeitpunkt vorliegenden Beobachtungen so korrigiert, dass im Mittel diese Analyse dem wahren Zustand der Atmosphäre möglichst nahe kommt. Viermal am Tag werden für die Wettervorhersage längere Modellrechnungen durchgeführt, und zwar ausgehend von 00 und 12 UTC bis 180 Stunden, und von 06 und 18 UTC ausgehend bis 120 Stunden.
Je Vorhersagetag benötigt das ICON auf dem Hochleistungsrechner des DWD etwa 8 Minuten Rechenzeit und erzeugt eine Datenmenge von rund 900 GByte für eine 7-Tage-Prognose. Neben den oben erwähnten eigentlichen Vorhersagevariablen wird eine Vielfalt von weiteren Größen diagnostisch abgeleitet und den Nutzern zur Verfügung gestellt (ausgewählte Vorhersagekarten sind hier erreichbar).
Die ICON-Vorhersagefelder bilden zudem eine wesentliche Eingangsinformation für Anschlussverfahren wie der globalen Ausbreitungsrechnung im Falle von Störfällen in kerntechnischen und chemischen Anlagen sowie der Seegangsmodellierung.
Neben diesen DWD-internen Anwendungen benötigen auch viele externe Nutzer die ICON-Vorhersagefelder als Basis ihrer Produkte, beispielsweise verwenden die Hydrologischen Landesämter die Niederschlagsfelder für Hochwasservorhersagen und das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie die Windfelder für Sturmflutvorhersagen. Bei mehr als dreißig Wetterdiensten weltweit (u. a. die meisten der COSMO (Consortium for small-scale Modelling) Partner (Italien, Polen, Rumänien und Israel) des DWD, sowie viele Entwicklungs- und Schwellenländer wie Botswana, Brasilien, Kenia, Mosambik, Namibia, Nigeria, Oman, Pakistan, Philippinen, Tanzania, Vereinigte Arabische Emirate und Vietnam) bilden ICON-Vorhersagen, die über das Internet übertragen werden, die seitlichen Randwerte für Ausschnittsmodelle.