NOAA GFS

Siebzig Jahre amerikanische numerische Wettervorhersage

Das GFS stammt von den allerersten operationellen numerischen Vorhersagen ab. 1954 gründeten das US Weather Bureau, die Air Force und die Navy die Joint Numerical Weather Prediction Unit; sie stellte im März 1955 eine IBM 701 auf und wählte das dreischichtige Princeton-Modell von Jule Charney, doch erst ab 1958, mit einem einfacheren Modell auf einer leistungsfähigeren IBM 704, wurden ihre Vorhersagen brauchbar. Im Januar 1958 schloss sie sich mit dem National Weather Analysis Center zum National Meteorological Center zusammen, aus dem im Oktober 1995 die National Centers for Environmental Prediction (NCEP) wurden.

Der direkte Vorfahr des heutigen Modells ist das globale Spektralmodell, das im August 1980 in Betrieb ging, mit einer Auflösung von etwa 375 km und 12 Schichten; spektral heißt, dass die Felder als Summen von Wellen rund um den Globus beschrieben wurden statt als Werte auf einem Gitter. Zwei Jahrzehnte lang lief es unter zwei Namen: als AVN, viermal täglich bis etwa fünf Tage gerechnet, und als MRF, die einmal täglich gerechnete Mittelfristvorhersage bis etwa zwei Wochen. 2002 ersetzte der Name Global Forecast System beide, für einen inzwischen einzigen Lauf, viermal täglich bis 16 Tage.

Das spektrale GFS wurde Schritt für Schritt feiner, von etwa 55 km im Jahr 2002 bis zu einer semi-Lagrangeschen Version mit T1534, etwa 13 km, im Januar 2015; 2007 wechselte seine Analyse zum Code GSI, der bis heute verwendet wird. Im Juli 2016 wählte die NOAA einen neuen dynamischen Kern, das Herzstück des Modells, das Wind und Luftdruck berechnet: FV3, entwickelt an ihrem Geophysical Fluid Dynamics Laboratory in Princeton; der Name GFS blieb erhalten. GFS v15, die erste FV3-Version, wurde am 12. Juni 2019 operationell, der erste Wechsel des dynamischen Kerns des Modells seit fast 40 Jahren.

GFS v16, operationell seit dem 22. März 2021, verdoppelte die Zahl der vertikalen Schichten von 64 auf 127, hob die Modellobergrenze von 54 auf 80 km an, erneuerte das Turbulenzschema und holte das globale Seegangsmodell ins GFS. Im Oktober 2026 ist es weiterhin die operationelle Version, in Form der Wartungsversionen 16.3.x. Sein Nachfolger GFS v17 wurde im April 2026 für Oktober 2026 vorgeschlagen: etwa 9 km, gekoppelt mit einem Ozean-, einem Meereis- und einem Seegangsmodell, mit einer neuen Datenassimilation auf Basis des JEDI-Frameworks; am 22. Oktober 2026 hatte die NOAA den Termin seiner Einführung noch nicht bekannt gegeben.

Das Modell: FV3 auf einer Würfelkugel

FV3 steht für Finite-Volume Cubed-Sphere. Stellen Sie sich einen Würfel vor, der aufgeblasen wird, bis seine Flächen den Globus bedecken: Jede der sechs Flächen wird in ein Gitter zerlegt, und im C768-Gitter des GFS hat jede Fläche 768 mal 768 Zellen, etwa 13 km voneinander entfernt. So wird das Zusammenlaufen der Meridiane an den Polen vermieden, das Gittern nach geografischer Länge und Breite zu schaffen macht. Finite Volumen bedeutet, dass das Modell verfolgt, wie viel Luft, Wärme und Feuchte durch die Wände jeder Zelle strömt, sodass die Masse exakt erhalten bleibt.

Der Kern ist nichthydrostatisch: Er nimmt nicht an, dass Vertikalbewegungen vernachlässigbar sind, was bei starker Konvektion wichtig ist. In der Vertikalen verwendet er 127 Schichten vom Boden bis in etwa 80 km Höhe, am dichtesten in Bodennähe, wo der Wind entsteht, den ein Segler spürt. Da das GFS global ist, gibt es keine seitlichen Ränder: Was das Gitter auf einer Seite verlässt, tritt einfach auf einer anderen Fläche wieder ein.

Alles, was kleiner ist als eine Zelle, wird parametrisiert, also durch vereinfachte Regeln dargestellt, die von den aufgelösten Feldern gespeist werden. Schauer und Gewitter liefert ein Massenfluss-Konvektionsschema der Arakawa-Schubert-Familie; Wolken und Regen die GFDL-Mikrophysik, die mehrere Arten von Wolkenwasser und Eis führt; die bodennahe Turbulenz ein skalenbewusstes Schema auf Grundlage der turbulenten kinetischen Energie und des Eddy-Diffusivity-Mass-Flux-Ansatzes, eingeführt mit v16. Die Strahlung berechnet der Code RRTMG, die Landoberfläche das Landoberflächenmodell Noah, und ein Schema für die oberflächennahe Meerestemperatur lässt die oberste Schicht des Ozeans tagsüber wärmer werden und nachts abkühlen.

Mit 13 km löst das GFS Fronten, Tiefs und die großen Strukturen von Passaten und Monsunen auf, nicht aber einzelne Squalls, Seewinde in engen Buchten oder die Düsenwirkung des Windes zwischen Inseln und in Meerengen. Gebirge werden auf das Gitter geglättet, sodass ein 2.000 m hoher Kamm auf einer kleinen Insel als flacher Buckel erscheinen kann. Das Seegangsmodell WAVEWATCH III läuft innerhalb des GFS, angetrieben von dessen Winden, ohne auf die Atmosphäre zurückzuwirken.

Von den Beobachtungen zu den GRIB-Dateien

Jeder Lauf beginnt mit einer Analyse des Global Data Assimilation System (GDAS), das eine kurze GFS-Vorhersage mit Beobachtungen von Satelliten, Radiosonden, Flugzeugen, Schiffen, Bojen und Landstationen verbindet. Seine Methode, hybrides 4D-EnVar genannt, sucht den Zustand der Atmosphäre, der zugleich am besten zu den über ein Zeitfenster verteilten Beobachtungen und zur Hintergrundvorhersage passt; die Fehler, die es von dieser Vorhersage erwartet, stammen teils aus einer festen Statistik und überwiegend aus einem Ensemble von 80 Kurzfristvorhersagen mit etwa 25 km. Gerechnet wird mit dem Code Gridpoint Statistical Interpolation (GSI) der NCEP.

Schnelligkeit und Vollständigkeit stehen im Widerspruch, deshalb erstellen die NCEP pro Zyklus zwei Analysen. Die GFS-Vorhersage startet von einer frühen Analyse, die kurz nach dem Zyklustermin entsteht, damit die Vorhersage die Nutzer schnell erreicht; das GDAS wartet länger auf verspätete Beobachtungen, und seine vollständigere Analyse bereitet den nächsten Zyklus vor. Seit v16 wird das Analyseinkrement schrittweise über die ersten Vorhersagestunden verteilt statt auf einmal hinzugefügt, was einen Anlaufschock vermeidet.

Die Läufe um 00, 06, 12 und 18 UTC werden auf WCOSS2 gerechnet, den beiden baugleichen HPE-Cray-Supercomputern Cactus und Dogwood der NOAA in Phoenix (Arizona) und Manassas (Virginia), seit Juni 2022 in Betrieb, mit je 12,1 Petaflops; einer rechnet die Produktion, der andere steht in Bereitschaft. Jeder Lauf rechnet 16 Tage voraus, bis 120 Stunden stündlich ausgegeben, danach alle 3 Stunden. Im Juli 2026 kündigte die NOAA an, diesen Betrieb, das GFS eingeschlossen, ab Anfang 2027 in die Google Cloud zu verlagern; der Umzug soll bis Dezember 2027 abgeschlossen sein.

Die Ausgabe wird in GRIB2 auf regelmäßigen Gittern veröffentlicht, das feinste mit 0,25°, auf NOMADS, dem NOAA Operational Model Archive and Distribution System, mit dem man auch eine Region und einzelne Variablen ausschneiden kann. Als Information der US-Regierung ist sie gemeinfrei: kostenlos, für jeden rechtmäßigen Zweck, auch kommerziell, sofern sie nach einer Veränderung nicht als offizielles Material der NOAA ausgegeben wird.

Das GFS auf See

Seit Jahrzehnten kostenlos und ohne Einschränkungen verfügbar, ist das GFS für viele Hochseesegler das Standard-GRIB geworden, oft die erste Datei, die über eine Satellitenverbindung geladen wird. Seine stündlichen Schritte bis fünf Tage und seine Reichweite von 16 Tagen decken eine ganze Ozeanüberquerung ab, und für das große Bild, die Lage des Azorenhochs, die Zugbahn eines Tiefs über den Atlantik, die Ausdehnung der Passate, ist es eine solide Referenz.

Seine Grenzen sind die eines globalen Modells mit 13 km. In Küstennähe entgehen ihm Seewinde, die Beschleunigung des Windes an Kaps und seine Düsenwirkung in Meerengen sowie die Flaute in Lee einer hohen Insel; Squalls unter einer tropischen Wolkenlinie werden zu einem gleichmäßigen Wind gemittelt. In einem tropischen Wirbelsturm liefert es eine brauchbare Zugbahn, aber ein 13-km-Gitter kann den engen Kern eines starken Hurrikans nicht abbilden, daher ist der Spitzenwind meist zu schwach.

Die eigene Auswertung der NCEP zu v15 ergab, dass es Wettersysteme tendenziell zu schnell verlagerte und bei den Zugbahnen starker tropischer Wirbelstürme weniger treffsicher war, zwei Schwächen, die v16 verringerte. Da das GFS von seiner eigenen Analyse ausgeht, die mit anderen Methoden erstellt wird als die des ECMWF, sind seine Fehler weitgehend unabhängig von denen des IFS und des AIFS, die sich eine Analyse teilen. Das macht es zum natürlichen ersten Vergleich: Wenn GFS und IFS bei einer Route übereinstimmen, ist die Vorhersage wahrscheinlich belastbar; wenn sie abweichen, sind der Zeitpunkt eines Frontdurchgangs oder die Lage eines Tiefs unsicher, und die Routenwahl sollte Raum für beides lassen.

GFS in Saily WR

Saily WR lädt jeden neuen GFS-Lauf von NOMADS, sobald er veröffentlicht ist, viermal täglich, auf dem 0,25°-Gitter: den Wind in 10 m Höhe, als Ost-West- und Nord-Süd-Komponente, stündlich bis 120 Stunden und dann alle 3 Stunden bis 384 Stunden, 16 Tage voraus. Zusammen mit NOAA AIGFS ist es das Modell mit dem weitesten Horizont in der App, und da es global ist, erhält jede Route eine GFS-Version.

Die Isochronenroute wird mit der Polare Ihres Boots in diesem Wind gesegelt, räumlich zwischen den Gitterpunkten und zeitlich zwischen den Schritten interpoliert, und neben den Routen aller anderen Modelle angezeigt, die sowohl Ihren Start als auch Ihr Ziel abdecken. Die von Ihnen gewählte Strömung und Landvermeidung gelten für sie genau wie für die anderen. Die Seite „Daten“ zeigt live, mit welchem GFS-Lauf die App rechnet und wie weit er reicht.

Jenseits von etwa zehn Tagen sagt eine GFS-Route mehr über die allgemeine Wetterlage als über den genauen Kurs. Lesen Sie ihre letzten Tage als Skizze, vergleichen Sie sie mit den Routen von IFS und AIFS, die nach 15 Tagen enden, und rechnen Sie neu, sobald neue Läufe eintreffen.