AROME

Ein Gewittermodell für Frankreich, dann für die Tropen

Zu Beginn der 2000er-Jahre errieten die operationellen Modelle von Météo-France Gewitter noch, statt sie zu berechnen: Bei Gitterzellen von etwa zehn Kilometern war eine Cumulonimbuswolke viel kleiner als eine Zelle und musste durch eine Parametrisierung dargestellt werden, ein Rezept, das ihre mittlere Wirkung abschätzt. Das AROME-Projekt, das von 2003 bis 2008 lief, sollte ein Modell schaffen, das fein genug ist, um diese Wolken selbst zu berechnen, und so Gewitter, Starkregen, Nebel und reliefbedingten Wind vorherzusagen. Der Name steht für „Application of Research to Operations at Mesoscale“, Anwendung der Forschung im operationellen Betrieb auf der Mesoskala.

Statt bei null anzufangen, setzte das Projekt zwei vorhandene Bausteine zusammen. Der dynamische Kern, der Teil, der die Bewegungsgleichungen der Luft löst, stammte von ALADIN-NH, der nicht-hydrostatischen Version des Regionalmodells, das Météo-France mit dem ALADIN-Konsortium europäischer und nordafrikanischer Wetterdienste teilt. Die Physik, die Wolken, Turbulenz und Strahlung behandelt, stammte von Meso-NH, einem Forschungsmodell der französischen Atmosphärenforschung (Labore von CNRM und CNRS). Die Oberfläche lieferte SURFEX, die auf derselben Forschung aufbauende Plattform für Land- und Meeresoberflächen. AROME-France wurde im Dezember 2008 nach rund sechs Jahren Entwicklung und Validierung operationell.

Die ersten Versionen rechneten mit 2,5 km und einer neuen Analyse alle drei Stunden; kurz vor 2015 hatte das Modell 60 Schichten. Im April 2015 kamen zwei große Schritte zusammen: Die Gitterweite sank auf 1,3 km bei 90 Schichten, und der Analysezyklus wurde von drei Stunden auf eine verkürzt. Im selben Jahr ging AROME-PI in Betrieb, eine stündlich gerechnete Nowcasting-Version, und eine Ensembleversion, PE-AROME, wurde im Dezember 2016 operationell. Im Oktober 2024 stellte die stündliche Analyse auf ein ensemblebasiertes Verfahren um, 3DEnVar, und im März 2026 kündigte Météo-France eine neue Vorhersagekette an, die die Zahl der Beobachtungen, die über Frankreich in das Modell eingehen, von 1,4 auf 4,2 Millionen pro Tag verdreifacht und das Ensemble von 76 auf 108 Szenarien pro Tag erweitert.

Dann folgten die Überseegebiete. Bis Mitte der 2010er-Jahre stützten sie sich auf globale Modelle und, für Réunion, die Karibik und Französisch-Guayana, auf 8-km-Versionen des hydrostatischen Modells ALADIN; im Februar 2016 nahm Météo-France AROME-OM in Betrieb („AROME Outre-Mer“, AROME für Übersee), fünf Gebiete mit 2,5 km über der Karibik, Französisch-Guayana, dem südwestlichen Indischen Ozean, Neukaledonien und Französisch-Polynesien. Tropische Wirbelstürme waren ein Hauptgrund: Das Zentrum von Météo-France auf Réunion ist seit 1993 das Regionale Spezialisierte Meteorologische Zentrum der Weltorganisation für Meteorologie für tropische Wirbelstürme im südwestlichen Indischen Ozean. Im Dezember 2017 kam eine gekoppelte ozeanische Deckschicht hinzu, um 2018–2019 wurde der Vorhersagezeitraum bei Zyklonwarnungen auf 78 Stunden verlängert, seit 2020 läuft ein experimentelles AROME-OM-Ensemble, und das Gebiet Indischer Ozean wurde 2026 um etwa 20 % nach Norden erweitert, um Zyklone, die Mayotte bedrohen, besser zu verfolgen.

Die Wissenschaft: Wolken berechnen statt erraten

AROME löst die vollständig kompressiblen, nicht-hydrostatischen Gleichungen der Atmosphäre. „Nicht-hydrostatisch“ bedeutet, dass Vertikalbeschleunigungen berechnet und nicht als vernachlässigbar angenommen werden: Globale Modelle wie ARPEGE nehmen an, dass das Gewicht der Luft an jedem Punkt dem Druck das Gleichgewicht hält, was für große Wettersysteme gilt, im Aufwind eines Gewitters oder in einer Gebirgswelle aber versagt. Zusätzlich zu Wind, Temperatur, Feuchte und Bodendruck führt das Modell die Vertikalgeschwindigkeit, eine nicht-hydrostatische Druckabweichung, die turbulente kinetische Energie und fünf Arten von Wasser mit: Wolkentröpfchen, Eiskristalle, Regen, Schnee und Graupel.

Wie ARPEGE und das IFS des ECMWF, deren Code es teilt, ist AROME ein Spektralmodell: Die Felder werden als Summen von Wellen dargestellt, wodurch sich horizontale Ableitungen sehr genau berechnen lassen. Die Zeitintegration ist semi-Lagrange und semi-implizit, eine Kombination, die Luftpakete entlang ihrer Trajektorien verfolgt und die schnellsten Wellen implizit behandelt, sodass das Modell bei 1,3 km Zeitschritte von etwa 50 s machen kann, ohne instabil zu werden. Über Frankreich ist das Gitter eine Lambert-konforme Projektion mit 1,3 km Gitterweite, in Übersee beträgt die Gitterweite 2,5 km. Die 90 Schichten folgen in Bodennähe dem Gelände und in der Höhe dem Druck (eine hybride Koordinate); in den untersten Schichten liegen sie dicht beieinander, die erste etwa 5 m über der Oberfläche, und die Obergrenze liegt bei 10 hPa.

Die Physik stammt aus Meso-NH. Hochreichende Konvektion wird überhaupt nicht parametrisiert: Gewitter entstehen auf dem Gitter, ihre Wolken und Niederschläge behandelt das Mikrophysikschema ICE3, das die fünf Wasserarten und die Prozesse zwischen ihnen verfolgt. Die Turbulenz in der Grenzschicht berechnet ein Schema, das die turbulente kinetische Energie vorhersagt, die flache, nicht niederschlagende Konvektion, etwa Schönwetter-Cumulus, ein Eddy-Diffusivity-Mass-Flux-Schema. Stand 2017 nutzte die Strahlung das RRTM-Schema im Infrarot und das Fouquart-Morcrette-Schema im solaren Spektrum. Boden und Meer behandelt SURFEX, das jede Zelle in Boden und Vegetation, Meer, Seen und Städte aufteilt, mit dem Relief aus der globalen Höhendatenbank GMTED.

Ein Gitter berechnet nichts, was kleiner ist als einige seiner Zellen: Bei 1,3 km zeichnet AROME eine Seewindfront, die Beschleunigung an einem Kap oder eine Böenlinie gut, nicht aber die einzelne Bö unter einer Wolke oder die Thermik über einem Strand. Und weil Gewitter berechnet statt gemittelt werden, hängen ihr genauer Ort und ihre Uhrzeit von kleinen Details des Anfangszustands ab: AROME sagt eher, wo und wann sich Zellen bilden können, als genau, welche Bucht eine bestimmte Zelle trifft. In Übersee ist die Meeresoberfläche unter dem Modell nicht fest vorgegeben: Eine eindimensionale ozeanische Deckschicht lässt das Wasser abkühlen, wenn ein Zyklon es aufwühlt, was die Energie verändert, die der Sturm erhält.

Wie ein Modelllauf berechnet wird

Über Frankreich startet AROME jede Vorhersage aus seiner eigenen Analyse, der bestmöglichen Schätzung der aktuellen Atmosphäre bei 1,3 km. Es nimmt alles auf, was das globale Modell ARPEGE nutzt – Bodenstationen, Schiffe, Bojen, Radiosonden, Flugzeuge, Satellitenstrahldichten und GNSS-Signale –, dazu Beobachtungen speziell für feine Skalen: Reflektivitäten von Wetterradaren, umgerechnet in Feuchteprofile, Doppler-Radialwinde von Radaren in ganz Europa sowie dichtere Boden- und Flugzeugdaten. Seit dem Upgrade von 2026 gehen täglich etwa 4,2 Millionen Beobachtungen in das Modell ein.

Die Analyse wird stündlich erneuert. Seit Oktober 2024 verwendet sie ein 3DEnVar-Verfahren: eine variationelle Analyse, die den Zustand der Atmosphäre sucht, der zugleich zur vorherigen einstündigen Vorhersage und zu den neuen Beobachtungen am besten passt, gewichtet nach ihren erwarteten Fehlern, wobei die Form der Vorhersagefehler aus einem Ensemble von 50 parallelen Assimilationen stammt, die alle drei Stunden mit 3,2 km gerechnet werden. Die Korrekturen folgen so dem Wetter des Tages, entlang einer Front gestreckt oder um ein Gewitter konzentriert, statt den festen mittleren Formen des von 2008 bis 2024 verwendeten 3D-Var. In der veröffentlichten Evaluierung schlug das neue Verfahren 3D-Var bei Winterstürmen, Nebel und Starkregenereignissen deutlich.

Die langen Vorhersagen werden achtmal am Tag gestartet, alle drei Stunden. An den Rändern seines Gebiets bezieht AROME seine Randbedingungen aus dem jüngsten ARPEGE-Lauf, dessen gestrecktes globales Gitter über Frankreich 5 km erreicht, und jede Vorhersage wird in ihrer ersten Stunde an die folgende stündliche Analyse herangeführt (Incremental Analysis Update), um die neuesten Beobachtungen einzubeziehen. Die Läufe werden in Toulouse auf Belenos und Taranis gerechnet, zwei Supercomputern vom Typ Atos BullSequana XH2000, die seit 2021 in Betrieb sind und jeweils eine Spitzenleistung von 10,74 Petaflops haben; Météo-France hat die Ausschreibung ihrer Nachfolger gestartet.

AROME-OM arbeitet anders: Es hat keine eigene Assimilation, weil es in den Tropen zu wenige dichte Beobachtungen wie Radare gibt, um eine zu speisen. Jeder Lauf startet aus der Analyse des globalen IFS des ECMWF, gemischt mit der vorherigen sechsstündigen AROME-OM-Vorhersage, damit die feinskaligen Strukturen des Modells selbst nicht verloren gehen, und bezieht stündlich Randbedingungen aus dem IFS; ARPEGE liefert den Zustand der Oberfläche und das globale Ozeanmodell von Mercator Ocean den Anfangszustand der ozeanischen Deckschicht. Die fünf Gebiete laufen viermal täglich, um 00, 06, 12 und 18 UTC, bis 48 Stunden und bei Warnungen vor tropischen Wirbelstürmen auf Anforderung bis 78 Stunden. Diese dynamische Anpassung des IFS lieferte in den Tropen laut den Forschern von Météo-France bessere Ergebnisse als eine 3D-Var-Assimilation.

Seit dem 1. Januar 2024 sind alle öffentlichen Daten von Météo-France kostenlos. Die Felder von AROME werden auf regelmäßigen Längen-Breiten-Gittern veröffentlicht, 0,01° über Frankreich und 0,025° über Frankreich und Übersee, im Format GRIB2, über das Portal meteo.data.gouv.fr und die öffentliche API von Météo-France, unter der Licence Ouverte 2.0 (Etalab), die die Weiterverwendung mit Quellenangabe erlaubt.

Auf See: die Küste im Detail, für zwei Tage

Die Stärke von AROME ist der Wind, den Küste und Relief formen. Bei 1,3 km sieht es Kaps, Buchten und Täler: Es zeichnet das Einsetzen und Drehen des Seewinds entlang einer Küste, die Beschleunigung vor dem Cap Corse oder in der Straße von Bonifacio, Mistral und Tramontane, kanalisiert durch das Rhonetal und die Lücke zwischen Pyrenäen und Zentralmassiv, die Flaute im Lee einer Insel. Genau diese Merkmale glättet ein globales Modell mit 10 bis 25 km, und oft entscheiden sie über einen Küstentörn.

Weil es Gewitter explizit berechnet, ist AROME das Modell der Wahl, wenn Squalls und Gewitter drohen, im Mittelmeerherbst oder an einem Sommernachmittag über Land. Es zeigt, wo Zellen wachsen können, ihre Böenfronten und die Winddrehungen, die sie bringen, doch die genaue Zelle bleibt unsicher: Lesen Sie ein Gewitter in AROME als Risiko für ein Gebiet und ein Zeitfenster, nicht als festen Termin, und prüfen Sie das Ensemble PE-AROME oder das Radar, wenn es darauf ankommt. Die App nutzt den mittleren Wind in 10 m Höhe, nicht die Böen, die unter einem Squall viel stärker sein können.

Seine Grenzen sind Vorhersagezeitraum und Skala. AROME blickt nur etwa zwei Tage voraus, und die großen Systeme – ein Tief, eine Front, ein Rücken – kommen über seine Ränder aus ARPEGE oder dem IFS: Trifft eine Front im globalen Modell zu früh oder zu spät ein, tut sie das auch in AROME. Fern der Küste, auf offenem Wasser, fügt es einem guten globalen Modell wenig hinzu. Sinnvoll ist es, das Timing der großen Systeme den globalen Modellen und ihren Ensembles zu entnehmen und die lokale Form des Winds in Küstennähe AROME; sind sich AROME und die globalen Modelle an der Küste uneinig, liegt AROME meist näher an dem, was das Relief bewirkt.

In Übersee zeichnet AROME-OM den Passat um die Inseln: die Beschleunigungen entlang der Küsten und zwischen den Inseln, die Flauten und die Windumkehr im Lee hoher Inseln, die Nachmittagsschauer über Land. Die Verifikation von Météo-France für 2018–2019 ergab, dass sein Wind in 10 m Höhe in allen fünf Gebieten näher an den Beobachtungen lag als der des IFS des ECMWF und dass Starkregen besser erkannt wurde. In einem tropischen Wirbelsturm startet es jedoch aus der Analyse des IFS, ohne eigene Beobachtungen: Zugbahn und Intensität sind eine Vorhersage zum Vergleichen, nie ein Ersatz für die offiziellen Bulletins der regionalen Wirbelsturmzentren.

In Saily WR

Die App liest AROME über die öffentliche API von Météo-France und behält nur den Wind in 10 m Höhe, als seine zwei Komponenten (nach Osten und nach Norden). Über Frankreich nimmt sie das 0,01°-Gitter, etwa 1,3 km, zwischen 37,5N und 55,4N und zwischen 12W und 16E, das Frankreich und seine Nachbarn abdeckt; sie lädt die acht Läufe des Tages, um 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 und 21 UTC, mit stündlichen Schritten von H+1 bis H+51. Für die fünf Überseegebiete nimmt sie das 0,025°-Gitter, etwa 2,5 km, vier Läufe pro Tag um 00, 06, 12 und 18 UTC, stündlich von H0 bis H+48.

Jedes AROME-Gebiet zählt als eigenes Modell. Liegen Start und Ziel Ihrer Route beide in einem Gebiet, berechnet die App eine Isochronenroute mit der Polare Ihres Boots im Wind dieses Gebiets, räumlich zwischen den Gitterpunkten und zeitlich zwischen den Stunden interpoliert, und zeigt sie neben den Routen der anderen Modelle, die dasselbe Gewässer abdecken. Mit seinem Horizont von zwei Tagen ist AROME das Modell für Tagestörns und Küstentörns und dasjenige, das Sie mit den globalen Modellen vergleichen sollten, wenn die Route dicht an einer Küste entlang oder zwischen Inseln hindurch führt.

Ein Server holt jeden neuen Lauf, sobald Météo-France ihn veröffentlicht, und die Seite „Daten“ zeigt live, auf welchem Lauf jedes AROME-Gebiet steht, wie weit es vorausreicht und welche Fläche es abdeckt. Die Strömung (SMOC, RTOFS oder keine) und die Landvermeidung, mit der OpenStreetMap-Küstenlinie und einer optionalen Mindesttiefe, werden auf die AROME-Route genauso angewendet wie auf die jedes anderen Modells.