Feuchtquellen des Niederschlags in alpinen Einzugsgebieten

Der Niederschlag in einem betrachteten Gebiet wird von verschiedenen Feuchtequellen gespeist. Diese Quellen müssen in einer numerischen Niederschlagsvorhersage adäquat beschrieben sein. In einem Ausschnittsmodell sind dies die atmosphärische Feuchte zu Prognosebeginn, die Evapotranspiration im Modellgebiet und der laterale Feuchteeintrag in das Modellgebiet. Es ist das Ziel dieses Projektvorschlags, die Abhängigkeit der Niederschlagsvorhersage von diesen Quellen mittels numerischen Experimenten mit dem Ausschnittsmodell ALADIN (operationell in Österreich) zu quantifizieren. Dies wird für ein spezifisches Zielgebiet durchgeführt. Das Ergebnis sind Sensitivitätsmuster in Raum und Zeit. Einige tausende Simulationsläufe mit ALADIN sind notwendig, um diese Muster ausreichend zu bestimmen. Das Zielgebiet unserer Untersuchungen soll Ostösterreich sein. Niederschlagsereignisse, die zu katastrophalen Überschwemmungen führten (August 2002, Juli 1997) sollen betrachtet werden, aber auch ähnliche Großwetterlagen, die eben nicht zu Starkregenereignissen führten. Evapotranspiration selbst ist sensitiv bestimmt durch Parameter wie Bodenfeuchte, Strahlungsbilanz am Boden und anderer meteorologischer Größen. Die Relevanz von Evapotranspiration und dementsprechend von Bodenfeuchte etc. für den Niederschlag ist allgemein auf der saisonalen und klimatologischen Zeitskalen akzeptiert. Unsere Arbeitshypothese ist, dass diese Parameter auch auf der Zeitskala einiger Tage relevant sind. Da diese Parameter bisher aber speziell in alpinen Regionen in Ausschnittsmodellen sehr schlecht beschreibbar sind, ist gerade hier die Quantifizierung der Wichtigkeit notwendig. Ist der Niederschlag in unserem Zielgebiet sensitiv auf die Evapotranspiration in Alpinen Regionen, dann müssen zukünftige Entwicklungen in der Niederschlagsvorhersage diesen Prozess, d.h. die Kopplung von Atmosphäre und Landoberfläche in komplexer Orographie, verstärkt berücksichtigen. Das Projekt zeigt somit Notwendigkeiten zukünftiger Forschung zur Verbesserung der Niederschlagsprognose auf. Es komplementiert internationale Forschungsinitiativen wie ELDAS, welches auf der europäischen Skala die Verbesserung der Analyse von Landoberflächenparametern zum Ziel hat. Internationale Zusammenarbeit in wissenschaftlichen und technischen Fragen soll im Rahmen des Projekts fortgeführt werden. Zur Durchführung des Projektes werden insgesamt EUR 127.236,- beantragt (für einen Post- Doc, zwei studentische Hilfskräfte, Geräte, Material und Reisen) bei einer Projektlaufzeit von 2 Jahren.

Die moderne Wettervorhersage basiert zu einem immer größeren Teil auf Vorhersagen von numerischen Modellen. Deren Zuverlässigkeit steigt einerseits durch kontinuierliche Weiterentwicklung der Modelle und andererseits durch zusätzliche und/oder neue Beobachtungsdaten (z.B. von Satelliten). Dadurch wird nicht nur die Vorhersagbarkeit von großskaligen Phänomen (beispielsweise weitläufiger Tiefdruckgebiete) verbessert sondern auch die für die Öffentlichkeit viel relevantere Vorhersage von lokalen Ereignissen (z.B. von Starkniederschlägen) ermöglicht. Dazu werden so genannten Ausschnittsmodelle mit hoher numerischer Auflösung (1-10km Gitterdistanz) für ein bestimmtes Gebiet (z.B. den Alpenraum) gerechnet und mit Daten aus einem globalen Modell gespeist. Die Vorhersage ist somit eine komplizierte "Mischung" aus Information aus dem globalen Modell und dem Ausschnittsmodell. Besonders dem Niederschlag kommt von jeher eine besondere Bedeutung zu. Aus modell- technischer Sicht ist der Niederschlag allerdings eine, oder vielleicht sogar die, am schwierigsten zu simulierende Größe. Diese Tatsache ist eine Konsequenz von komplizierten Wechselwirkungen in der Atmosphäre, die im Modell nur vereinfacht repräsentiert sind sowie auch von unzulänglichen Beobachtungsdaten (z.B. der Bodenfeuchte). Die numerischen Vorhersagen sind somit mit oder weniger großen orts- und zeitanhängigen Fehlern verbunden. Die objektive Bewertung der numerischen Vorhersagen, im Folgenden als Evaluierung bezeichnet, ist daher ein notwendiger und oft sehr aufwendiger Schritt sowohl bei der Modellentwicklung als auch bei der späteren routinemäßigen Anwendung. Das vorliegende Projekt versucht in zwei Bereichen einen Beitrag zur Verbesserung von numerischen Vorhersagen zu leisten: Erstens wurde versucht den Einfluss verschiedener "Feuchtequellen". Dadurch wird einerseits das Prozessverständnis verbessert und andererseits können Unzulänglichkeiten im Modell aufgezeigt werden. In einem Ausschnittsmodell sind die Feuchtequellen die atmosphärische Feuchte zu Prognosebeginn, die Verdunstung im Modellgebiet und der laterale Feuchte-Eintrag in das Modellgebiet. Durch umfangreiche numerische Experimente wurde der Einfluss dieser Quellen untersucht, jedoch sind die Abschätzungen mit großen Unsicherheiten verbunden. Der zweite Punkt betrifft die Evaluierung von vorhergesagten Niederschlagsfeldern. Dazu sind Beobachtungen notwendig, die aber meist nur an relativ wenigen Orten und im Flachland vorliegen. Ein quantitativer Vergleich von flächenhaften Modellvorhersagen und Punktmessungen (d.h. Messungen an einem oder mehreren Orten) ist nur dann möglich, wenn entweder die Modellvorhersagen durch einen entsprechende Weiterverarbeitung ("Downscaling") für den jeweiligen Ort aufbereitet werden, oder wenn die zur Verfügung stehenden Beobachtungen durch eine geeignete räumliche Interpolation als flächenhaften Niederschlagsanalyse betrachtet werden. In diesem Bereich konnten im Rahmen das Projekts bestehenden Methoden weiterentwickelt und auch erfolgreich angewendet werden.