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Köhler, Martin (2015): Cb-LIKE: Gewittervorhersagen bis zu sechs Stunden mit Fuzzy-Logik. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Gewitterzellen mit ihren negativen Begleiterscheinungen wie Starkregen, Hagel oder Fallwinden verursachen Verspätungen sowie Flugausfälle und sind damit für höhere Kosten der Airlines und Flughafenbetreiber verantwortlich. Eine verlässliche Vorhersage von Gewittern bis zu mehreren Stunden könnte dagegen den Entscheidungsträgern am Flughafen einen größeren zeitlichen Spielraum geben, um auf mögliche Gewitterzellen angemessen zu reagieren und adäquate Maßnahmen zu ergreifen. Zur Bereitstellung zuverlässiger Gewittervorhersagen bis zu sechs Stunden wurde Cb-LIKE am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Der neue Gewittervorhersagealgorithmus wird in der vorliegenden Dissertation detailliert vorgestellt. Cb-LIKE ist ein automatisiertes System, das unter Verwendung von Modelldaten des COSMO-DE Wettermodells des Deutschen Wetterdienstes (DWD) Gebiete ausweist, die eher für oder gegen eine Entwicklung von Gewittern sprechen. Vier atmosphärische Parameter (CAPE, Vertikalwind, Radarreflektivität und Temperatur an der Wolkenobergrenze) fließen in das System ein. Eine neu entwickelte „Best-Member-Selection“ sorgt dabei durch einen Abgleich zur aktuellen Gewittersituation für die automatische Auswahl des realistischsten Modelllaufes aus einem Ensemble. Dadurch wird die beste Datengrundlage für die Berechnung der Gewittervorhersagen gewährleistet. Für die Auswahl des besten Members stehen vier verschiedene Modi zur Verfügung. Ein neu entwickeltes Fuzzy-Logik System ermöglicht anschließend die Kombination der Modelldaten und die Berechnung eines Gewitterindikators von 11,6¯6 bis 88,3¯3 für jeden Gitterpunkt des Modells für die nächsten sechs Stunden in stündlichen Intervallen. Je höher der Wert des Indikators, desto mehr sprechen die Modellparameter für die Entstehung von Gewittern. Zusätzlich wird die Vorhersagequalität des neuen Algorithmus anhand einer umfassenden Verifikation unter Verwendung einer „neighbourhood-verification“ Technik und von „multi-event contingency tables“ untersucht. Für die Sommerperiode 2012 weist Cb-LIKE im Vergleich zur COSMO-DE Radarreflektivität bessere Werte in den Verifikationsgrößen auf. So ist das „Fehlalarmverhältnis“ für den neuen Algorithmus niedriger (0,48 zu 0,56), die „Wahrscheinlichkeit der Detektion“ (0,52 zu 0,45) und der „Critical Success Index“ (0,50 zu 0,48) fallen dagegen höher aus. Die Resultate zeigen, dass der Cb- LIKE Algorithmus eine sinnvolle neue Methodik für Gewittervorhersagen von hoher Qualität auf der Datenbasis des COSMO-DE Modells darstellt. Die Ergebnisse aus der Verifikation ermöglichen außerdem die Übersetzung des Cb-LIKE Indikatorfeldes in die gewünschten probabilistischen Gewittervorhersagen. Zusätzlich wird die erfolgreiche Implementierung der Cb-LIKE Gewittervorhersagen in das WxFUSION System, eine graphische Benutzeroberfläche, vorgestellt.

Abstract

Thunderstorm cells with their adverse weather hazards like heavy rain, hail or downbursts cause delays and flight cancellations at airports and, as a negative result, the airlines and airport operators have to bear high additional cost. A reliable thunderstorm forecast up to several hours could provide more time for the decision makers at the airport for an appropriate reaction on possible storm cells and initiation of adequate counteractions. To provide the required thunderstorm forecasts up to six hours Cb-LIKE has been developed at the DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) Institute of Atmospheric Physics. The development of the new algorithm is described in detail in the present dissertation. Cb-LIKE is an automated system which designates areas with possible thunderstorm development by using model data of the COSMO-DE numerical weather prediction model, which is driven by the German Meteorological Service (DWD). Four atmospheric parameters (CAPE, vertical wind velocity, radar reflectivity and cloud top temperature) of the model output are used within the system. A newly developed “Best-Member-Selection“ allows the automatic selection of that model run of a COSMO-DE model ensemble which matches best the observed storm situation. Thereby, the application of the best available data basis for the calculation of the thunderstorm forecasts is ensured. Altogether there are four different modes for the selection of the best member. A newly developed fuzzy logic system enables the subsequent combination of the model data and the calculation of a thunderstorm indicator within a value range of 11. ¯ 66 up to 88. ¯ 33 for each grid point of the model domain for the following six hours in hourly intervals. The higher the indicator the more the model parameters imply the development of thunderstorms. The forecasting quality of the new algorithm is demonstrated by a thorough verification using a neighborhood verification approach and multi-event contingency tables. For the summer period of 2012 Cb-LIKE shows better results in the verification scores in comparison to the COSMO-DE radar reflectivity. For example the new algorithm features a lower „False Alarm Ratio“ (0,48 to 0,56) and a higher „Probability of Detection“ (0,52 to 0,45) and „Critical Success Index“ (0,50 to 0,48). The results show that Cb-LIKE is a sensible novel approach to obtain probabilistic thunderstorm forecasts of high quality on the data basis of the COSMO-DE model. Finally, the implementation of the Cb-LIKE forecasts into the WxFUSION system which is a graphical user interface is presented.