MFWAM

Das Wellenmodell von Météo-France

MFWAM, für Météo-France WAve Model, ist das operationelle globale Wellensystem von Météo-France, dem französischen Wetterdienst, und dasjenige, das Copernicus Marine als seine globale Wellenanalyse und -vorhersage verbreitet. Es ist ein Wellenmodell der dritten Generation, das den Seegang als Spektrum von Wellen beschreibt, 24 Richtungen mal 30 Frequenzen, und nicht als einzelne Wellen.

Sein Code heißt ECWAM, das Wellenmodell des Integrated Forecasting System (IFS) des ECMWF. Die Produktbeschreibung nennt die Version ECWAM-IFS-38R2 mit einem von Ardhuin et al. (2010) entwickelten Dissipationsterm und gibt an, dass das Modell im November 2014 mit den Verbesserungen des europäischen Forschungsprojekts MyWave (Janssen et al. 2014) aktualisiert wurde. Das Qualitätsdokument ergänzt, dass der Code im Dezember 2020 auf ECWAM-IFS-41R2 wechselte, ohne Änderung der Wellenphysik.

Das System wurde seither mehrfach erneuert. Seine Version 4 brachte im Januar 2018 das Rechengitter auf 10 km, die minimale Wassertiefe von 10 auf 5 m, angepasste Dissipationsterme für eine bessere Schubspannung an der Grenzfläche zwischen Luft und Meer bei starkem und mittlerem Wind sowie ein diagnostisches Phillips-Spektrum für den hochfrequenten Teil des Spektrums. Im Dezember 2020 wurde die Vorhersage auf 10 Tage verlängert, und im September 2022 nahm die Assimilation die Wellenhöhen von Sentinel-6A und die gerichteten Wellenspektren des Instruments SWIM von CFOSAT auf. Die Lieferung erfolgt seit Dezember 2021 zweimal täglich.

Copernicus Marine veröffentlicht es als Produkt GLOBAL_ANALYSISFORECAST_WAV_001_027, mit einem Datensatz aus Feldern im 3-Stunden-Takt und einem gleitenden Archiv von zwei Jahren. Neben den integrierten Parametern des gesamten Spektrums (signifikante Höhe, Perioden, Richtung, Stokes-Drift, maximale Wellenhöhe) liefert es die Aufteilung des Spektrums in Windsee sowie primäre und sekundäre Dünung.

Winde hinein, ein regelmäßiges Gitter heraus

Wellen werden vom Wind angetrieben, daher bestimmen die Winde, die das Modell antreiben, einen großen Teil der Qualität seiner Wellen. MFWAM übernimmt die des ECMWF IFS, Analysen alle 6 Stunden und Vorhersagen alle 3 Stunden mit 1/10°, zusammen mit dem Meereisanteil. Das Qualitätsdokument ergänzt, dass das verbesserte System von den Oberflächenströmungen des globalen Ozeanvorhersagesystems PSY4 von Mercator angetrieben wird, täglich aktualisiert.

Das eigene Gitter des Modells ist unregelmäßig: Der Abstand zwischen seinen Punkten in Längenrichtung nimmt zu den Polen hin ab und beträgt am Äquator etwa 1/10°. Der Meeresboden stammt aus der ETOPO2-Topografie der NOAA mit 2 Bogenminuten. Die Wellenparameter werden dann auf das regelmäßige 1/12°-Gitter mit 4320 × 2041 Punkten interpoliert, auf dem das Produkt veröffentlicht wird.

Von den vielen Feldern des Produkts behält Saily WR drei: VHM0, die spektrale signifikante Wellenhöhe, in Metern; VMDR, die mittlere Richtung, aus der die Wellen kommen, in Grad, wie beim Wind; und VTPK, die Periode am Peak des Spektrums, in Sekunden. Dasselbe Modell berechnet auch die Stokes-Drift, die die SMOC-Strömung zur Zirkulation des Ozeans addiert.

Die Felder sind momentan, nicht gemittelt, alle 3 Stunden, um 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 und 21 UTC, sodass der Seegang zwischen zwei Zeitpunkten nicht beschrieben ist.

Altimeter und Wellenspektren, zweimal täglich

MFWAM wird durch Beobachtungen aus dem All korrigiert. Das Handbuch nennt die signifikanten Wellenhöhen der Altimeter Jason-3, Saral, Cryosat-2, Sentinel-3A und 3B, CFOSAT und Sentinel-6 sowie die Wellenspektren des Radars (SAR) von Sentinel-1, assimiliert durch Optimale Interpolation in einem täglichen Zyklus.

Das Instrument SWIM von CFOSAT liefert gerichtete Wellenspektren für Wellenlängen von 60 bis 500 m. Das Qualitätsdokument berichtet, dass ihre Verwendung den Bias der Wellenhöhe im Südlichen Ozean verringerte, weil sie das Wachstum der Windsee in Stürmen mit unbegrenzter Windwirklänge besser skalieren.

Analysen werden viermal täglich erstellt, um 00, 06, 12 und 18 UTC, mit aktualisierten ECMWF-Antrieben. Das Produkt selbst wird zweimal täglich aktualisiert, um 00:00 und 12:00 UTC, jedes Mal mit der Analyse des Produktionstages und einer Vorhersage bis 240 Stunden im Voraus.

Copernicus Marine hält zwei Jahre der Reihe in seinem Datenspeicher bereit und löscht die veralteten Vorhersagen, sobald neue eintreffen.

Auf See

Das Qualitätsdokument bewertet die Analyse. Im Vergleich mit Bojen des amerikanischen National Data Buoy Center, meist in Nordamerika, von Januar bis Mai 2020 hat die Wellenhöhe einen Bias von 2 cm und einen Streuungsindex von 13,8 %, die Peak-Periode einen Bias von 0,33 s und einen Streuungsindex von 12,6 %. Im Vergleich mit den unabhängigen Altimetern HY-2B und HY-2C im Juni 2022 beträgt der Streuungsindex der Wellenhöhe im Mittel 7,9 %, bei einem Bias von 3 cm.

Die Fehler sind nicht überall gleich. Der Streuungsindex bleibt auf offenem Ozean unter 8 % und steigt in Küstengebieten; der Bias ist klein, aber größer nahe den Küsten und in Regionen mit Meereis. Für die 10-Tage-Vorhersage nennt das Dokument keine Zahl: Für die Vorhersage des ersten Tages gibt es im Februar 2020 einen Streuungsindex von 10,2 % an, im Vergleich mit Altimetern.

Ein Wellenmodell auf einem 1/12°-Gitter beschreibt den Seegang eines mehrere Kilometer breiten Gebiets, nicht was eine Landspitze, eine Untiefe oder eine enge Durchfahrt nahe der Küste daraus machen, wo das Dokument größere Fehler findet; und das Modell endet bei 5 m Wassertiefe. Auf See nennt es Höhe, Richtung und Periode der Wellen, denen eine Route wahrscheinlich begegnet, zu lesen als Vorhersage, nicht als Messung.

MFWAM in Saily WR

Saily WR zeigt die Wellen von MFWAM entlang einer berechneten Route: ein Diagramm ihrer Höhe, Richtung und Periode entlang der Route und in der Zusammenfassung die höchsten Wellen, denen sie begegnet. Sie werden angezeigt, nie verwendet: Die Route wird aus dem Wind berechnet und, falls gewählt, aus der Strömung, und die Wellen bremsen das Boot nicht. Dieselben Wellen begleiten die Route jedes Windmodells, sodass die Routen nebeneinander vergleichbar bleiben.

Ein Server lädt jeden neuen Modelllauf herunter, sobald er veröffentlicht ist, und die Seite Daten zeigt live, auf welchem Modelllauf MFWAM steht, seinen Horizont und seine Abdeckung. Seine Zeile dort ist vom Typ Wellen, nach den Strömungen. Da das Modell global ist, hat es keine Ausdehnung, die auf der Karte zu zeichnen wäre.

Wie es die Copernicus-Marine-Lizenz verlangt, werden die Daten überall genannt, wo sie angezeigt werden: „E.U. Copernicus Marine Service Information (CMEMS)“. Diese Lizenz ist kostenlos und erlaubt jedem, aus den Daten abgeleitete Produkte zu erstellen und zu teilen, für jeden Zweck, unter dieser einen Bedingung.