Wie können wir zuverlässigere Ensemble-Vorhersagen erzielen? Das Varianzbudget hilft … die Auswirkungen verschiedener Störungen abzuschätzen.

Vorhersagen sommerlicher Konvektionswetterlagen - wie in den letzten Wochen - sind höchst schwierig, da die Ereignisse so kleinräumig sind. Im besten Fall lässt sich eine Gesamtmenge und ein Regenrisiko für einen bestimmten Umkreis abschätzen. Dabei kommen Ensemble-Vorhersagen zum Einsatz - viele Vorhersageläufe versuchen ein Maß für die Sicherheit einer Vorhersage zu liefern. Stimmen sie überein, ist die Vorhersage sicher, tun sie das nicht ist sie unsicher.

Solche Ensemble-Vorhersagen sind bei Sommerkonvektion über Mitteleuropa häufig nicht variabel genug, d. h. die Streuung der Ensemble-Wettermodellläufe ist zu gering, um das beobachtete Wetter zu erfassen - das Ensemble ist zu zuversichtlich was die Sicherheit der Vorhersage angeht. Verschiedene Implementierungen fehlender Unsicherheit in numerischen Wettervorhersagemodellen können diese Überzuversichtlichkeit verringern, indem sie mehr Variabilität in die Vorhersagen einbringen. Eine genaue Bewertung dieser sogenannten Modellunsicherheitsdarstellungen ist jedoch aufgrund komplexer Wechselwirkungen oft nicht einfach. Um zu ermitteln, wann und wo diese Darstellungen von Vorteil sind, haben wir ein Varianzbudget entwickelt, mit dem die Entwicklung der Effekte und ihrer Wechselwirkungen verfolgt werden kann.

Je nach vorherrschender Wettersituation können Modellunsicherheitsdarstellungen (z. B. winzige Störungen im Turbulenzschema oder in der Mikrophysik) die Variabilität an einem Gitterpunkt erheblich erhöhen. Die Anwendung der Budgetanalyse zeigt jedoch, dass Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Auswirkungen und zwischen Skalen diesen Effekt wieder dämpfen. Diese Erkenntnis legt nahe, dass die Einbeziehung verschiedener, auf unterschiedlichen Skalen wirkender Unsicherheitsdarstellungen notwendig ist, deren Einfluß auf das Wetter mit Hilfe des Varianzbudgets überprüft werden kann.

Die Abbildung zeigt Karten der Korrelationskoeffizienten zwischen verschiedenen Modellunsicherheiten (I für Unsicherheit der Anfangsbedingungen, P für Störungen der Turbulenz, M für Mikrophysik) im ICON-D2 Ensemble über Deutschland. Systematisch negative Korrelationen (in blau) bedeuten beispielsweise, dass die Gesamtvarianz kleiner ist als die Summe der einzelnen Varianzen zweier Unsicherheiten. Wechselwirkung zwischen den Unsicherheiten kompensieren sich gegenseitig. Die Berechnung der Gesamtvarianz unter Berücksichtigung dieser Korrelationen gibt Aufschluss über die Bedeutung einzelner Unsicherheitsdarstellungen. Das Varianzbudget stellt eine neue wichtige Diagnostik in der Entwicklung künftiger Ensemble-Wettervorhersagesysteme dar.

Literatur: Matsunobu et al, 2025: A Variance Budget to estimate the Growth and Interaction of Uncertainties
in Convective-scale Forecasts. Under review at Mon. Wea. Rev.