ICON

Von GME zu ICON

Der Deutsche Wetterdienst (DWD), der nationale Wetterdienst Deutschlands mit Sitz in Offenbach, betreibt seit Dezember 1999 ein Globalmodell auf einem ikosaedrischen Gitter. Dieses Modell, GME, war das erste operationelle Wettermodell, das die Erde in Zellen zerlegte, die aus einem Ikosaeder – einem Körper aus 20 dreieckigen Flächen – abgeleitet sind, statt in Kästchen aus Breiten- und Längengraden, die sich an den Polen zusammendrängen. Seine Zellen waren Sechsecke, seine Gitterweite betrug etwa 20 km und seine Gleichungen waren hydrostatisch, das heißt, vertikale Beschleunigungen wurden vernachlässigt: eine bei dieser Skala vertretbare Vereinfachung, die aber feinere Gitter ausschließt.

ICON, kurz für ICOsahedral Nonhydrostatic (ikosaedrisch, nicht-hydrostatisch), wurde vom DWD und dem Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg gemeinsam als einheitliches System für Wettervorhersage und Klima entwickelt. Seine Entwickler wollten eine exakte Massenerhaltung, die Möglichkeit, das Gitter über einer Region zu verfeinern, und Gleichungen, die bis hinunter zum Kilometer und darunter gültig sind. Am 20. Januar 2015 löste ICON das GME als operationelles Globalmodell des DWD ab, mit einer Gitterweite von 13 km und 90 Schichten. Ein verfeinertes Gebiet über Europa, ICON-EU, kam im Sommer 2015 hinzu und läuft seit dem 21. Juli 2015 routinemäßig; es übernahm die Rolle des Regionalmodells COSMO-EU.

Seitdem ist das System Schritt für Schritt gewachsen. Im Januar 2016 wechselte die Analyse von 3D-Var zu einem hybriden ensemble-variationellen Verfahren; im Januar 2018 ging das globale Ensemble ICON-EPS mit 40 Mitgliedern in Betrieb; am 10. Februar 2021 ersetzte ICON-D2, eine Version für ein begrenztes Gebiet mit etwa 2 km über Deutschland und seinen Nachbarländern, das COSMO-D2, sodass die gesamte Vorhersagekette des DWD nun auf ICON beruht. Im November 2022 stieg das Globalmodell von 90 auf 120 Schichten und das europäische Nest von 60 auf 74, wobei die meisten neuen Schichten in der Stratosphäre liegen, während die Gitterweite des Ensembles von etwa 40 auf etwa 26 km verfeinert wurde.

Heute wird ICON vom DWD, dem Max-Planck-Institut für Meteorologie, dem Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ), MeteoSchweiz und dem Karlsruher Institut für Technologie entwickelt. Auch MeteoSchweiz erstellt damit ihre Vorhersagen, und das Max-Planck-Institut nutzt es als Kern seines Klimamodells. Sein Quellcode ist seit dem 31. Januar 2024 unter einer Open-Source-Lizenz veröffentlicht.

Dreiecke, ein nicht-hydrostatischer Kern und 120 Schichten

Das Gitter von ICON geht von einem auf die Kugel projizierten Ikosaeder aus. Jede Kante seiner 20 Dreiecke wird zunächst in n gleiche Teile geteilt (die „Wurzel“-Teilung, Rn), dann werden die so entstandenen Dreiecke k-mal geviertelt, indem man die Mitten ihrer Seiten verbindet (Bisektionen, Bk). Das globale Gitter, R3B07, umfasst 2.949.120 Dreiecke mit einer mittleren Größe von 13,2 km, gemessen als Seitenlänge eines Quadrats gleicher Fläche. Es gibt keinen Pol, an dem sich die Gitterzellen häufen, und die Auflösung ist überall auf der Erde nahezu gleich.

Der dynamische Kern, der Teil, der die Bewegungsgleichungen löst, verwendet die voll kompressiblen, nicht-hydrostatischen Gleichungen: Vertikale Beschleunigungen werden berechnet und nicht als null angenommen, und genau das erlaubt es, denselben Code mit 13 km oder mit einigen hundert Metern laufen zu lassen. Seine prognostischen Variablen sind der Wind senkrecht zu jeder Dreieckskante, der Vertikalwind, die Luftdichte und die virtuelle potentielle Temperatur. Skalare Größen liegen im Mittelpunkt jedes Dreiecks und die Normalwinde in der Mitte jeder Kante, eine Anordnung, die man C-Gitter nennt. Die Zeitintegration folgt einem Prädiktor-Korrektor-Verfahren mit zwei Zeitebenen, horizontal explizit und vertikal für die Schallwellen implizit, und das Verfahren erhält die Masse exakt.

In der Vertikalen hat das Globalmodell 120 Schichten vom Boden bis in 75 km Höhe, tief in die Mesosphäre hinein, was die Assimilation von Satellitendaten erleichtert. Die Schichten folgen in Bodennähe dem Gelände und werden mit der Höhe allmählich flacher, nach einer geglätteten Koordinate namens SLEVE, bis sie oberhalb von 16 km vollkommen eben sind. Über dem Meer ist die unterste Schicht etwa 20 m dick, sodass die erste Modellfläche nahe der Höhe liegt, für die der 10-m-Wind angegeben wird. Das europäische Nest hat 74 Schichten bis in 22,8 km Höhe, identisch mit den untersten 74 des globalen Gitters.

Prozesse, die kleiner als eine Gitterzelle sind, werden parametrisiert, also durch ihre mittlere Wirkung dargestellt. Schauer und Gewitter übernimmt ein Massenfluss-Konvektionsschema, ein Ableger des Tiedtke-Bechtold-Schemas aus dem IFS des ECMWF, denn bei 13 km und selbst bei 6,5 km ist eine Konvektionszelle viel kleiner als ein Dreieck. Die Turbulenz in der Grenzschicht wird von einem prognostischen Schema für die turbulente kinetische Energie gesteuert, das von COSMO übernommen wurde; Wolken und Regen von einem Ein-Momenten-Mikrophysikschema; der Strömungswiderstand nicht aufgelöster Gebirge vom Schema nach Lott und Miller; die Landoberflächen vom Bodenmodell TERRA, Seen von FLake und das Meereis von einem einfachen Eismodell.

Der Ozean wird nicht modelliert. Die Meeresoberflächentemperatur wird einmal täglich analysiert und dann für die gesamte Vorhersage konstant gehalten; ICON sieht also weder, wie ein Sturm das Meer hinter sich abkühlt, noch wie sich während des Modelllaufs ein Auftrieb kalten Wassers entwickelt. Auch der Seegang wird nicht berechnet: Der DWD betreibt seine Seegangsmodelle separat, angetrieben von den Winden aus ICON.

Wie ein Modelllauf berechnet wird

Die Analyse von ICON, die beste Schätzung des aktuellen Zustands der Atmosphäre, von der eine Vorhersage ausgeht, wird alle 3 Stunden erneuert, um 00, 03, 06 und so weiter bis 21 UTC. Jede Analyse verbindet eine 3-stündige Vorhersage aus der vorherigen, den sogenannten First Guess, mit den Beobachtungen eines 3-stündigen Zeitfensters um den Analysezeitpunkt: Bodenstationen, Schiffe, Bojen, Radiosonden, Flugzeuge und Satelliten. Welches Gewicht jede Quelle erhält, hängt davon ab, welchen Fehler man von ihr erwartet.

Seit dem 20. Januar 2016 geschieht das mit einem hybriden ensemble-variationellen System, EnVar. Eine variationelle Analyse sucht bei der vollen Auflösung von 13 km den Zustand der Atmosphäre, der sowohl zum First Guess als auch zu den Beobachtungen am besten passt; „hybrid“ bedeutet, dass die erwarteten Fehler des First Guess teils aus festen Statistiken und teils aus der Streuung eines Ensembles von 40 3-stündigen Vorhersagen stammen, sodass sie der aktuellen Wetterlage folgen. Dieses Ensemble wird seinerseits von einem lokalisierten Ensemble-Transform-Kalman-Filter (LETKF) aktualisiert, der jedes Mitglied nur mit Beobachtungen aus seiner Umgebung korrigiert, und es liefert die Anfangszustände des Ensembles ICON-EPS.

Damit das Modell nicht durch künstliche Wellen gestört wird, werden die Korrekturen nicht auf einmal hinzugefügt, sondern über 3 Stunden um den Analysezeitpunkt verteilt eingebracht, ein Verfahren namens Incremental Analysis Update (IAU): Das Modell startet tatsächlich 90 Minuten vor dem nominellen Termin. Eigene Analysen aktualisieren die Meeresoberflächentemperatur und die Bodenfeuchte einmal täglich und die Schneedecke alle 3 Stunden.

Von diesen Analysen starten täglich vier Vorhersagen, um 00, 06, 12 und 18 UTC. Die Läufe von 00 und 12 UTC reichen bis 180 Stunden (7,5 Tage), die von 06 und 18 UTC bis 120 Stunden, mit stündlicher Ausgabe bis 78 Stunden und danach 3-stündlich. Das europäische Nest läuft innerhalb des Globalmodells mit einer Zwei-Wege-Kopplung: Das Globalmodell versorgt die Ränder des Nests bei jedem Zeitschritt, und das Nest gibt seine feinere Lösung an das globale Gitter zurück. Das Nest rechnet außerdem vier kürzere Vorhersagen, um 03, 09, 15 und 21 UTC, bis 51 Stunden.

Seit eine Änderung des DWD-Gesetzes am 25. Juli 2017 in Kraft trat, veröffentlicht der DWD seine Modellausgaben kostenlos auf seinem Open-Data-Server opendata.dwd.de im Format GRIB2, weiterverwendbar unter der Lizenz CC BY 4.0, sofern der DWD als Quelle genannt wird. Das Globalmodell wird dort auf seinen nativen Dreiecken angeboten, ICON-EU und ICON-D2 auf regelmäßigen geografischen Gittern von 0,0625° und 0,02°. Nach Angaben des DWD treiben mehr als 30 nationale Wetterdienste ihre eigenen Regionalmodelle mit den Ausgaben von ICON an.

Auf See

Für Segler liegt der Hauptwert von ICON darin, dass es eine unabhängige Meinung ist. Es stammt von einem anderen Zentrum als das IFS des ECMWF oder das GFS der NOAA, mit eigenem Gitter, eigener Physik und eigener Assimilation, und seine Fehler sind daher nicht die der anderen. Wenn ICON, IFS und GFS ein Tief oder eine Front an dieselbe Stelle legen, verdient die Vorhersage mehr Vertrauen; wenn sie sich widersprechen, sagt schon dieser Widerspruch, dass die Lage unsicher ist und eine Route, die von einem engen Wetterfenster abhängt, riskant ist.

Mit 13 km bildet das Globalmodell Tiefs, Fronten, Passatwinde und die großen Windschatten von Inseln gut ab, nicht aber den Wind entlang einer bestimmten Küste: Ein Kap, eine Meerenge oder eine Bucht von wenigen Kilometern Breite umfasst nur eine Handvoll Dreiecke. Über Europa erfasst das 6,5-km-Nest die vom Relief geformten Winde besser, etwa Mistral und Tramontane im Golfe du Lion, die Bora in der Adria, den Meltemi zwischen den Kykladen oder den Levante in der Straße von Gibraltar, doch eine Seebrise, die nur wenige Kilometer auf See hinausreicht, bleibt außerhalb seiner Reichweite. In Küstennähe ist ein Modell im Kilometerbereich wie AROME der bessere Ratgeber.

Die Konvektion ist im Globalmodell und in ICON-EU parametrisiert; eine Böenlinie oder die Böenfront eines Gewitters erscheint dort daher als geglättetes Schauergebiet statt als der Winddreher, den eine Crew tatsächlich erlebt; ICON-D2 berechnet Schauer und Gewitter selbst, auch wenn Zeitpunkt und Ort unsicher bleiben. Der 10-m-Wind ist ein über eine Gitterzelle und über die Zeit gemittelter Wind: Böen, die unter einer Wolke oder bei einer plötzlichen Beschleunigung viel stärker sein können, sind darin nicht enthalten. Die Eyewall eines tropischen Wirbelsturms ist schmaler als einige 13-km-Dreiecke, daher werden seine Spitzenwinde meist unterschätzt; bei einem Wirbelsturm haben die offiziellen Warnungen der Warnzentren Vorrang.

Weil die Meerestemperatur auf ihrem Wert vom Analysetag eingefroren bleibt, kann das Modell hinterherhinken, wenn die Meerestemperatur den Wind bestimmt, etwa bei einem Kaltluftausbruch über einer warmen Meeresströmung oder über einem Meer, das ein vorheriger Sturm abgekühlt hat. Auf langen Überfahrten ist der Vorhersagezeitraum von 7,5 Tagen der Läufe von 00 und 12 UTC kürzer als der von IFS oder GFS, und wie bei jeder deterministischen Vorhersage sollten die letzten Tage als Tendenz gelesen werden, nicht als genauer Wind.

In Saily WR

Saily WR nutzt ICON dreimal, als drei getrennte Modelle: das globale ICON, das europäische ICON-EU und ICON-D2 über Deutschland und seinen Meeren. Jedes berechnet seine eigene Route, sobald sein Gebiet sowohl den Start als auch das Ziel abdeckt; diese Route wird im 10-m-Wind des Modells gesegelt, räumlich und zeitlich interpoliert, und dann neben den Routen der anderen Modelle angezeigt, damit man sie vergleichen kann.

Für das Globalmodell lädt die App die offenen Daten des DWD auf den nativen Dreiecken herunter und überträgt sie selbst auf ein regelmäßiges 0,25°-Gitter, wobei jeder Punkt den Wert des nächstgelegenen Dreiecks erhält. Nichts wird geglättet, doch mit einem Punkt alle 0,25°, etwa 28 km in Breitenrichtung, geht ein Teil der Details des 13-km-Gitters verloren. Die App übernimmt die vier Läufe des Tages, stündlich bis 78 Stunden, dann 3-stündlich bis 180 Stunden für die Läufe von 00 und 12 UTC bzw. bis 120 Stunden für die von 06 und 18 UTC; nach einem Lauf von 06 oder 18 UTC setzt sich eine Route im vorangehenden Lauf von 00 oder 12 UTC fort.

Für ICON-EU verwendet die App das 0,0625°-Gitter des DWD (etwa 6,5 km) so, wie es veröffentlicht wird, über 29,5–70,5°N und 23,5°W–45°E. Sie übernimmt die acht Läufe des Tages: die von 00, 06, 12 und 18 UTC bis 120 Stunden, stündlich bis 78 Stunden und danach 3-stündlich, und die dazwischenliegenden bis 51 Stunden, nach denen sich eine Route im vorangehenden Hauptlauf fortsetzt.

Für ICON-D2 verwendet die App das 0,02°-Gitter des DWD so, wie es veröffentlicht wird, über 43,18–58,08°N und 3,94°W–20,34°E, und übernimmt seine acht Läufe des Tages, stündlich bis 48 Stunden. Dieses Rechteck ist größer als das Modellgebiet: Die Punkte außerhalb des Gebiets haben in den Dateien des DWD keinen Wert, daher leitet die App aus ihnen den tatsächlichen Rand des Gebiets ab und berechnet eine ICON-D2-Route nur, wenn Start und Ziel beide darin liegen. Ein Server holt jeden neuen Lauf, sobald der DWD ihn veröffentlicht, und die Seite „Daten“ zeigt live, auf welchem Lauf jedes der drei Modelle steht, wie weit es reicht und welches Gebiet es abdeckt.