ECMWF IFS

Von Reading 1975 bis zum Zyklus 50r1

Das ECMWF entstand aus einem 1973 unterzeichneten europäischen Übereinkommen, das am 1. November 1975 in Kraft trat: Statt dass jedes Land für sich einen Supercomputer und ein globales Modell aufbaute, bündelten die Mitgliedstaaten beides in einem Zentrum, das sich Vorhersagen über mehrere Tage widmete, der „Mittelfrist“. Das Zentrum ließ sich in Reading in England nieder, erstellte im Juni 1979 seine ersten Echtzeitvorhersagen und am 1. August 1979 seine erste operationelle Mittelfristvorhersage, auf seinem ersten Cray-Supercomputer. Heute ist es eine zwischenstaatliche Organisation mit 23 Mitgliedstaaten, darunter Frankreich, und 12 kooperierenden Staaten.

Das Modell von 1979 war ein Gitterpunktmodell der globalen Atmosphäre mit 15 vertikalen Schichten. Im April 1983 wich es einem Spektralmodell, das die Felder als Summen von Wellen auf der Kugel beschreibt, und am 24. November 1992 gab das ECMWF seine ersten Ensemblevorhersagen heraus, im selben Jahr wie das amerikanische NCEP. Im März 1994 übernahm das Integrated Forecasting System, das IFS: ein 1987 gemeinsam mit Météo-France begonnener Code, den Météo-France in einer eigenen Version unter dem Namen ARPEGE betreibt. „Integrated“ bedeutet, dass Beobachtungsverarbeitung, Datenassimilation, Modell und Nachbearbeitung einen einzigen Code teilen.

Am 25. November 1997 nahm das ECMWF 4D-Var in Betrieb, ein Verfahren zur Bestimmung des Anfangszustands, das die folgenden Abschnitte erklären; Météo-France folgte im Jahr 2000, und es waren die beiden einzigen operationellen 4D-Var-Systeme des 20. Jahrhunderts. Die Auflösung stieg weiter: Im März 2016 brachte Zyklus 41r2 die Gitterweite mit einem neuen „kubisch-oktaedrischen“ Gitter von etwa 16 auf 9 km, und im Juni 2023 brachte Zyklus 48r1 das Ensemble auf dieselben 9 km. Am 18. Oktober 2022 zog die Produktion von Reading in ein neues Rechenzentrum in Bologna, Italien.

Der aktuelle Zyklus, 50r1, ging am 12. Mai 2026 mit dem Lauf von 06 UTC in Betrieb. Er schließt einen langen Übergang ab: Die frühere hochaufgelöste Vorhersage HRES und das ungestörte „Kontrollmitglied“ des Ensembles waren mit Zyklus 49r1 identisch geworden, und das ECMWF rechnet nur noch eines von beiden, den sogenannten ENS-Kontrolllauf. Dieser Lauf wird weiterhin als die eine hochaufgelöste Vorhersage verbreitet, und viele Apps, auch diese, nennen ihn noch HRES. Seit 2025 betreibt das ECMWF außerdem ein Modell auf Basis maschinellen Lernens, das AIFS, das eine eigene Seite hat.

Ein Spektralmodell auf einem oktaedrischen 9-km-Gitter

Das IFS löst die primitiven Gleichungen einer hydrostatischen Atmosphäre: Es nimmt an, dass vertikale Beschleunigungen gegenüber der Schwerkraft klein sind, eine Näherung, die das ECMWF im Betrieb beibehält, weil sie stabil und günstig ist, während Regionalmodelle wie AROME sie aufgeben, um Konvektion aufzulösen. Wind, Temperatur, Druck und Feuchte werden zugleich als Spektralkoeffizienten geführt, also als Wellen auf der Kugel, in denen horizontale Ableitungen exakt sind, und als Werte auf einem Gitter, auf dem die Physik berechnet wird; Spektraltransformationen wechseln bei jedem Zeitschritt zwischen beiden Darstellungen.

Seit Zyklus 41r2 (2016) ist das Gitter „kubisch-oktaedrisch“, geschrieben TCo1279: Die spektrale Darstellung reicht bis zur Wellenzahl 1279, und das Gitter, O1280 genannt, hat 2.560 Breitenkreise von Pol zu Pol, mit zu den Polen hin immer weniger Punkten pro Kreis, sodass der Abstand überall nahe 9 km bleibt. „Kubisch“ bedeutet, dass die kürzeste Welle, die das Modell führt, vier Gitterpunkte statt zwei überspannt, was genauer ist und weniger künstliche Glättung braucht. In der Vertikalen folgen 137 Schichten in Bodennähe dem Gelände und gehen weiter oben in Druckflächen über; die untersten vier liegen in etwa 10, 31, 54 und 79 m Höhe, die oberste bei 0,01 hPa, in der Mesosphäre.

Die Zeitintegration ist semi-Lagrange und semi-implizit: Statt zu berechnen, was durch feste Gitterzellen strömt, verfolgt das Modell jedes Luftpaket über einen Schritt entlang seiner Bahn zurück, was lange Zeitschritte erlaubt, ohne dass die Rechnung instabil wird. Was das Gitter nicht auflösen kann, wird parametrisiert, also durch seine mittlere Wirkung dargestellt: die Konvektion durch ein Massenflussschema, das auf Tiedtke (1989) zurückgeht, die Turbulenz der Grenzschicht, Wolken und Niederschlag mit eigenen prognostischen Variablen, die Strahlung durch das Schema ecRad und der Widerstand subskaliger Gebirge. Die Landoberfläche bildet das Modell HTESSEL ab, ergänzt um ein Seenmodell.

Die Atmosphäre wird nicht allein gerechnet: Seit 2018 läuft auf allen Zeitskalen dasselbe gekoppelte System, mit dem Ozeanmodell NEMO und seinem Meereismodell SI3 (NEMO4-SI3, seit 50r1 vollständig gekoppelt) sowie dem Wellenmodell ecWAM, das die Rauigkeit der See an den Wind zurückgibt. Für Segler ist die wichtigste Grenze die Skala: Die kürzeste Welle auf einem 9-km-Gitter ist etwa 36 km lang, und eine Struktur muss noch größer sein, um gut dargestellt zu werden. Eine Seebrise, die Düsenwirkung zwischen zwei Inseln oder die Beschleunigung an einem Kap werden daher nur angedeutet, und ein Squall wird gar nicht aufgelöst, nur seine mittlere Wirkung.

Von 60 Millionen Beobachtungen zu einer 15-Tage-Vorhersage

Jeden Tag empfängt das ECMWF rund 800 Millionen Beobachtungen und behält nach der Qualitätskontrolle etwa 60 Millionen für das IFS, die meisten davon von rund 90 Satelliteninstrumenten. Satelliten messen Strahldichten, die von Temperatur und Feuchte der Luft abhängen, aus der Wolkenbewegung abgeleitete Winde und Winde über dem Meer, die aus der Rauigkeit seiner Oberfläche bestimmt werden; hinzu kommen Radiosonden, Flugzeuge, Schiffe, Bojen und Landstationen.

Diese Beobachtungen werden durch 4D-Var, die vierdimensionale variationelle Assimilation, mit der vorigen Vorhersage verschmolzen: Über ein Fenster von 12 Stunden wird das Modell vorwärts und sein adjungiertes Modell rückwärts gerechnet, um den Anfangszustand zu finden, dessen Vorhersage jede Beobachtung zu ihrem Zeitpunkt am besten trifft und dabei der Physik des Modells gehorcht. Ein kleineres Ensemble von Datenassimilationen, die EDA, läuft parallel, um von Tag zu Tag abzuschätzen, wie unsicher das Hintergrundfeld (First Guess) ist. Zyklus 50r1 verkürzte die Zeitfenster der Beobachtungen von 30 auf 15 Minuten und lässt mehr Beobachtungen der 2-m-Temperatur in der Grenzschicht zu.

Die Vorhersage selbst läuft auf vier Clustern vom Typ Atos BullSequana XH2000 mit insgesamt mehr als einer Million Prozessorkernen im Rechenzentrum des ECMWF in Bologna, das die operationelle Produktion am 18. Oktober 2022 übernahm. Die Läufe starten um 00, 06, 12 und 18 UTC: Die von 00 und 12 UTC reichen bis 15 Tage (360 Stunden), die von 06 und 18 UTC bis 6 Tage (144 Stunden). Derselbe Lauf ist der Kontrolllauf des Ensembles ENS, dessen 50 weitere Mitglieder von leicht gestörten Zuständen starten und eine gestörte Physik verwenden, um die Unsicherheit abzutasten.

Der Rat des ECMWF beschloss im Dezember 2020 den Übergang zu offenen Daten. Die frei zugängliche Teilmenge erreichte im März 2024 eine Auflösung von 0,25°, etwa 28 km; am 1. Oktober 2025 kam der gesamte Echtzeitkatalog unter die Lizenz Creative Commons CC BY 4.0, ohne Informationskosten, wobei die Lieferung großer Datenmengen weiterhin kostenpflichtig ist. Seit dem 20. Oktober 2026 veröffentlicht das Open-Data-Portal außerdem dieselbe 9-km-Vorhersage auf einem 0,1°-Gitter, etwa zwei Stunden nach den 0,25°-Dateien. Beide sind Interpolationen des nativen oktaedrischen Gitters auf reguläre Längen-Breiten-Gitter, keine eigenen Läufe.

Auf See richtig lesen

Das IFS ist die übliche Referenz für die Mittelfrist: Lage und Tiefe der Tiefdruckgebiete, Ausdehnung eines Hochs, das Timing einer Front mehrere Tage im Voraus. Für eine Ozeanüberquerung oder einen langen Schlag auf offener See ist es jenseits von drei oder vier Tagen das Modell, dessen großräumiges Muster man zuerst zum Vergleich heranziehen sollte. Sein begleitendes Ensemble unterscheidet eine sichere Vorhersage von einer wackligen: Wenn die 50 Mitglieder auseinanderlaufen, verdient der deterministische Lauf weniger Vertrauen.

Seine Schwächen sind die eines globalen 9-km-Modells, das das 0,1°-Gitter der offenen Daten, etwa 11 km, kaum vergröbert. Küsteneffekte werden geglättet: Seebrisen, katabatische Fallwinde aus Tälern, die Beschleunigung des Windes um Landspitzen und zwischen Inseln. Das ECMWF selbst führt bekannte Probleme auf, die für Segler zählen: Extreme Böen sind unterrepräsentiert, wenn kräftige Konvektion im Spiel ist, starke Böen können dicht vor der Küste, in Lee des Landes, unterschätzt werden, und Winde über Gebirgen sind oft zu schwach.

In den Tropen wird das IFS viel genutzt, um die Zugbahnen tropischer Wirbelstürme vorherzusagen, doch mit 9 km unterschätzt es ihre Höchstwinde im Vergleich zu den Warnzentren, und Fehler beim Kerndruck kleiner Systeme können in Extremfällen 50 hPa übersteigen: In der Nähe eines Wirbelsturms folgen Sie den offiziellen Warnungen statt dem rohen Feld. Es können künstliche Böenlinien und konvektive Ringe auftreten, ein Problem, das laut ECMWF in 50r1 fortbesteht.

Im Vergleich mit den anderen: Entlang der Küsten Frankreichs und Europas sehen die feineren AROME, ARPEGE Europe, ICON-EU und ICON-D2, was das IFS glättet, und verdienen in den ersten zwei Tagen mehr Gewicht. Danach vermittelt der Vergleich der ECMWF-Route mit denen von GFS, ICON und AIFS ein Gefühl für die Streuung: Wo die Routen übereinstimmen, ist die Vorhersage wahrscheinlich solide; wo ECMWF von den anderen abweicht, ist die Entscheidung offen.

In Saily WR

Saily WR übernimmt die offenen Daten des ECMWF auf ihrem feinsten Gitter, 0,1°: den Wind in 10 m Höhe, als Ost-West- und Nord-Süd-Komponente, aus jedem der vier täglichen Läufe um 00, 06, 12 und 18 UTC, heruntergeladen, sobald sie veröffentlicht sind. Die Schritte liegen bis 144 Stunden alle 3 Stunden, dann bis 360 Stunden, also 15 Tage, alle 6 Stunden; an der Quelle enden die Läufe von 06 und 18 UTC bei 144 Stunden, und danach setzt sich eine Route im vorangehenden Lauf von 00 oder 12 UTC fort, den der Server aufbewahrt.

Das Modell ist global, daher wird eine ECMWF-Route berechnet, wo auch immer Start und Ziel liegen. Das Boot segelt mit seiner Polare in diesem Wind, räumlich zwischen den Gitterpunkten und zeitlich zwischen den Schritten interpoliert; bei Schritten von 3, dann 6 Stunden erscheint eine schnelle Winddrehung zwischen zwei Schritten geglättet. Die ECMWF-Route wird neben denen der anderen Modelle gezeichnet, mit der Strömung von SMOC oder RTOFS, wenn Sie eine wählen, und durch die OpenStreetMap-Küstenlinie sowie auf Wunsch durch eine Mindesttiefe vom Land ferngehalten. Die Seite „Daten“ zeigt live, mit welchem ECMWF-Lauf die App arbeitet, seinen Horizont und seine Abdeckung.