Von der Chesapeake Bay zu einem landesweiten Netz
Der National Ocean Service (NOS) der NOAA begann im Sommer 2001, die Küstengewässer mit einem Modell vorherzusagen, als sein Chesapeake Bay Operational Forecast System (CBOFS), entwickelt vom Coast Survey Development Laboratory mit dem Center for Operational Oceanographic Products and Services (CO-OPS), für operationell erklärt und seine Ergebnisse veröffentlicht wurden. Bis 2011 war CBOFS ein zweidimensionales Modell, das auf eigenen Rechnern des NOS lief, auf Wasserstände ausgerichtet war und 30 Stunden vorausreichte.
Am 29. März 2011 ersetzte es ein neues, dreidimensionales CBOFS auf Grundlage des Regional Ocean Modeling System (ROMS) der Rutgers University, mit Strömungen, Temperatur und Salzgehalt neben den Wasserständen, einem auf 48 Stunden erweiterten Horizont und einem Lauf auf den zentralen Rechnern der NOAA, betrieben von NCEP Central Operations (NCO). Am selben Tag gingen zwei Schwestersysteme mit demselben Modell in Betrieb: DBOFS für die Delaware Bay und TBOFS für die Tampa Bay.
Danach wuchs das Netz Küste um Küste. Das System der Bucht von San Francisco, SFBOFS, auf Grundlage des Modells FVCOM mit unstrukturiertem Gitter, ging am 11. März 2014 auf dem Weather and Climate Operational Supercomputing System (WCOSS) der NOAA in Betrieb; GoMOFS für den Golf von Maine folgte am 3. Januar 2018, mit einem Horizont von 72 Stunden, und CIOFS für den Cook Inlet in Alaska am 23. Juli 2019. Am 22. März 2021 fasste NGOFS2 drei frühere Systeme für den nördlichen Golf von Mexiko (NGOFS, NEGOFS und NWGOFS) in einem einzigen Gitter zusammen, das bis an die mexikanische Küste reicht.
Das jüngste der acht hier genutzten, SSCOFS für die Salish Sea und den Columbia River, wurde am oder um den 9. September 2024 operationell: ein FVCOM-Modell des Puget Sound, der Strait of Georgia und des Columbia River bis zum Bonneville Dam, das das ältere Columbia-River-System CREOFS auf Grundlage des Modells SELFE ablöste. Daneben betreibt CO-OPS ein Modell für die Westküste (WCOFS), Systeme für den Hafen von New York und den St. Johns River sowie vier Systeme für die Großen Seen.
Zwei Modellkerne: ROMS und FVCOM
Jedes OFS löst dieselbe Physik: die primitiven Gleichungen eines hydrostatischen Ozeans mit freier Oberfläche, mit Wasserständen, dreidimensionalen Strömungen, Temperatur und Salzgehalt, sodass Gezeiten, Wind, Flusswasser und die Dichte des Wassers allesamt die Strömung bewegen. Vertikal nutzen beide Kerne geländefolgende Schichten (Sigma-Schichten), die sich mit der Tiefe dehnen und zusammendrücken: von 10 Schichten bei DBOFS und SSCOFS bis 41 bei NGOFS2.
Fünf der acht laufen mit ROMS, dem von der Rutgers University betreuten Regional Ocean Modeling System, auf einem strukturierten Gitter aus gekrümmten oder orthogonalen Vierecken, das sich dort verdichten lässt, wo es darauf ankommt: CBOFS geht entlang der Hauptrinnen der Bucht bis auf etwa 30 m herunter und weitet sich auf See auf fast 5 km, während GoMOFS über den ganzen Golf von Maine etwa 700 m beibehält.
Die anderen drei laufen mit FVCOM, dem Finite Volume Community Ocean Model, entwickelt von der University of Massachusetts Dartmouth mit der Woods Hole Oceanographic Institution. Sein horizontales Gitter besteht aus unstrukturierten Dreiecken, die einer zerklüfteten Küste folgen und sich in engen Durchfahrten verkleinern können, ohne das ganze Gebiet zu verfeinern: Die Dreiecke von NGOFS2 reichen von 45 m in Gezeitenprielen, Einfahrten und Binnenwasserstraßen bis 10 km entlang des offenen Rands, und SSCOFS hat 239.734 Knotenpunkte, in den Ästuaren 100 m voneinander entfernt.
Alle laufen in derselben Software, dem von CO-OPS geschriebenen Coastal Ocean Modeling Framework (COMF), in dem jedes OFS läuft, von der Aufbereitung seines Antriebs bis zum Schreiben seiner Ausgabedateien; im September 2024 ging es auf Version 3.6 über, mit neuen Dateinamen für alle Systeme.
Wie ein Zyklus berechnet wird
Jedes OFS läuft viermal täglich, alle 6 Stunden. Ein Zyklus beginnt mit einem Nowcast über die gerade vergangenen 6 Stunden, angetrieben von dem, was tatsächlich geschehen ist: analysierte Winde (die Real-Time Mesoscale Analysis der NCEP in den Nowcasts mancher Systeme), beobachtete Abflüsse der Flüsse und bei manchen Systemen die an den Pegeln des NOS gemessenen Wasserstände. Von diesem Zustand aus läuft die Vorhersage dann 48 Stunden voraus, bei SSCOFS und GoMOFS 72 Stunden.
In der Vorhersage stammen Wind und Wärmeflüsse aus dem North American Mesoscale Model (NAM) der NCEP, mit dem globalen GFS als Ersatz, wenn das NAM verspätet ist. Der Abfluss der Flüsse kommt von den Echtzeitpegeln des U.S. Geological Survey und wird für die ganze Vorhersage auf seinem zuletzt beobachteten Wert gehalten; SSCOFS bezieht seine Abflüsse stattdessen aus dem National Water Model.
Am offenen Seerand braucht jedes Modell, was jenseits davon liegt. Temperatur, Salzgehalt und der nicht gezeitenbedingte Wasserstand stammen aus dem globalen Ozeanmodell der NOAA, G-RTOFS, oder beim Meeresspiegel mancher Systeme aus dem Extra-Tropical Storm Surge Model (ETSS); die Gezeiten werden aus Gezeitendatenbanken hinzugefügt, etwa der von ADCIRC, die NGOFS2 siebenunddreißig Partialtiden liefert. Die Gezeiten breiten sich dann durch die eigene Physik des Modells in jede Bucht und Meerenge aus.
NCEP Central Operations und CO-OPS überwachen die Läufe rund um die Uhr. Die Felder werden in NetCDF geschrieben, an der Oberfläche stündlich, und auf dem NOMADS-Server der NOAA, auf dem THREDDS-Server von CO-OPS und über das NOAA Open Data Dissemination Program in der Cloud von Amazon veröffentlicht, im Bucket noaa-nos-ofs-pds, der die Historie aufbewahrt. Die NOAA erklärt, dass diese Daten öffentlich zugänglich sind und beliebig genutzt werden können, und bittet lediglich um Quellenangabe und darum, keine Billigung durch die NOAA zu suggerieren.
Auf See
In Buchten, Sunden und Meerengen ist die Strömung, auf die ein Segler trifft, meist die Gezeit, von der Form der Küste eingeengt und gelenkt: Sie läuft am stärksten in einer Einfahrt oder zwischen Landspitzen, und der Abfluss eines Flusses verstärkt den Ebbstrom. Das sind Strukturen von einigen hundert Metern, die ein globales Ozeanmodell mit Zellen von etwa 9 km zu einem einzigen Wert glättet oder ganz übersieht. Ein OFS zeichnet sie Stunde für Stunde, mit dem Wind und den Flüssen des Tages zusätzlich zur astronomischen Gezeit.
Jedes System wird an den Navigationsstandards des NOS geprüft: Wasserstände, Strömungsgeschwindigkeit und -richtung werden mit Beobachtungen verglichen, Stillwasser ist als Strömung unter einem halben Knoten definiert. Die Systeme sind auf die Hauptfahrwasser und die Schifffahrt abgestimmt, wo die Gitter am feinsten sind; zwischen einem Strand und einer Fahrrinne, nahe einem Felsen oder in einer engen Bucht kann das Gitter noch gröber sein als der Ort.
Ihre Vorhersagen sind nur so gut wie der NAM-Wind, der sie antreibt, und ein Hochwasser eines Flusses, das sich nach dem Start des Laufs aufbaut, fehlt in der Vorhersage, die den zuletzt gemessenen Abfluss beibehält. Die NOAA warnt außerdem, dass die OFS keine Sturmflutmodelle sind und bei extremen Wetterereignissen ungenau sein können: Bei einem Hurrikan oder einem schweren Sturm haben die amtlichen Warnungen Vorrang.
Für Segler beantworten diese Modelle praktische Fragen: wann der Ebbstrom in der Einfahrt einer Bucht kentert, ob der Strom in einer Meerenge mit oder gegen das Boot laufen wird, wie weit eine Flussfahne auf See hinausdrückt. Sie sind Hinweise aus einem Modell, keine Messungen, und man liest sie am besten neben den Gezeitenstromvorhersagen der NOAA.
NOAA OFS in Saily WR
Saily WR nutzt acht OFS: SSCOFS, CBOFS, DBOFS, TBOFS, SFBOFS, CIOFS, GoMOFS und NGOFS2. Für jedes lädt ein Server den neuesten vollständigen Lauf, vier Läufe pro Tag, mit jedem Vorhersageschritt, den die NOAA veröffentlicht (stündlich, alle drei Stunden für GoMOFS und NGOFS2), aus dem öffentlichen Bucket noaa-nos-ofs-pds der NOAA; er nimmt die Dateien auf regelmäßigem Gitter, in denen die NOAA das Modell auf ein Längen- und Breitengitter von 0,0025° bis 0,01° (etwa 250 m bis 1 km) interpoliert hat, und behält nur die Oberflächenströmung. Das Land des Modells und das Meer außerhalb seines Gebiets werden als wasserlos markiert.
Es gibt nichts zu wählen: Eine Route segelt in der Strömung eines OFS überall dort, wo dieses OFS an diesem Punkt Wasser hat, ohne dass eine Ecke der Gitterzelle an Land liegt, und zu diesem Zeitpunkt einen Vorhersageschritt. Anderswo und nach dem letzten Schritt des Systems, H+48 oder H+72, segelt sie in SMOC, der globalen Strömung, mit Gezeiten. Wo sich zwei OFS überlappen, wird das feinere genommen, und von zweien mit gleichem Schritt immer dasselbe.
In Küstennähe liefert eine Zelle des regelmäßigen OFS-Gitters, die nur an einer Ecke Wasser hat, noch die Strömung des OFS, aus seinen Punkten mit Wasser; die globale Strömung nimmt die Route nur dort, wo keiner der vier Punkte um sie herum Wasser hat, in einem Hafen oder einer Durchfahrt, die das Gitter nicht sieht. Die Zusammenfassung der Route nennt jede Strömung, die sie durchquert hat, der Reihe nach, zum Beispiel „NOAA SSCOFS, dann SMOC“; bei einer Route, die in mehreren gesegelt ist, nennt die Routentabelle, auf dem Bildschirm und gedruckt, die Quelle jedes Schlags, und die CSV-Datei hat eine Spalte „Strömungsquelle“. Auf der Routenkarte zeigt die Ebene „Strömung“ die Strömung des OFS in seinen Gewässern und die globale um sie herum.
Noch sind nicht alle OFS dabei. WCOFS, entlang der ganzen US-Westküste, wird nur auf seinem krummlinigen Gitter veröffentlicht; NYOFS und SJROFS nutzen ältere Formate; CREOFS und NECOFS liegen nicht im Bucket. Die vier Systeme der Großen Seen, LEOFS, LMHOFS, LOOFS und LSOFS, kommen hinzu, sobald Routen auf Seen segeln können.
Die Gebiete
NOAA SSCOFS, Salish Sea und Columbia River
SSCOFS deckt die Binnenmeere ab, die sich der Bundesstaat Washington und British Columbia teilen: den Puget Sound bis zu seinen südlichen Meeresarmen, Admiralty Inlet, die San Juan Islands, die Strait of Juan de Fuca und die Strait of Georgia, dann die Pazifikküste nach Süden bis zum Columbia River, dem es bis zum Bonneville Dam folgt. Es ist ein FVCOM-Modell, operationell seit September 2024, dessen Dreiecksnetz mit 239.734 Knotenpunkten in den Ästuaren 100 m fein ist, in den tiefen Becken des Puget Sound und der Strait of Georgia 500 m, und über dem Kontinentalschelf auf 10 km gröber wird.
Saily WR übernimmt seine Läufe um 03, 09, 15 und 21 UTC, stündlich von H+0 bis H+72, auf einem 0,005°-Gitter. In diesen Gewässern entscheidet die Gezeit: Der Strom durch Admiralty Inlet, den eine Route von Seattle zu den San Juan Islands quert, erreicht 2 bis 3 Knoten, und ihn mit oder gegen den Flutstrom zu passieren, macht bei der Ankunft einen großen Unterschied. An der Mündung des Columbia River treffen der Abfluss des Flusses und die Gezeit über der Barre aufeinander, die das Modell mit 100 bis 200 m auflöst.
NOAA CBOFS, Chesapeake Bay
CBOFS deckt die ganze Chesapeake Bay ab, vom Chesapeake Bay Bridge-Tunnel an ihrer Mündung zwischen Cape Henry und Cape Charles bis Baltimore und zur Mündung des Susquehanna, mit ihren Tideflüssen, und ein Stück des atlantischen Schelfs, damit Bucht und Ozean realistisch Wasser austauschen. Das älteste OFS, seit 2001 zweidimensional operationell, läuft seit März 2011 mit ROMS, auf einem Gitter, das entlang der Hauptrinnen der Bucht etwa 30 m und auf dem Schelf fast 5 km fein ist, mit 20 Schichten.
Saily WR übernimmt seine Läufe um 00, 06, 12 und 18 UTC, stündlich von H+1 bis H+48, auf einem 0,005°-Gitter. Die Chesapeake Bay ist lang, und ihr Gezeitenstrom kentert nicht überall zugleich: Auf einem Törn die Bucht hinunter zeigt das Modell, wo Ebb- oder Flutstrom läuft und wie ein stetiger Wind entlang der Bucht ihn verstärkt. In der Hauptrinne und in der Einfahrt zwischen den Kaps lohnt es sich, die Strömung zeitlich einzuplanen.
NOAA DBOFS, Delaware Bay und Delaware River
DBOFS deckt die Delaware Bay zwischen Cape May und Cape Henlopen ab, den tidebeeinflussten Delaware River an Wilmington vorbei bis Philadelphia und ein Stück des Kontinentalschelfs vor New Jersey und Delaware, wo sein Seerand an die bei Ocean City Inlet und Atlantic City gemessenen Wasserstände angepasst wird. Als ROMS-Modell, operationell seit März 2011, hat es ein Gitter von 100 m bis 3 km und 10 Schichten.
Saily WR übernimmt seine Läufe um 00, 06, 12 und 18 UTC, stündlich von H+1 bis H+48, auf einem 0,005°-Gitter. Die Einfahrt der Bucht und ihr Hauptfahrwasser bündeln starke Gezeitenströme, und gegen einen frischen Wind baut ein aus der Bucht laufender Ebbstrom eine kurze, steile See auf. Für einen Törn die Bucht hinauf oder hinunter oder um Cape May herum ist die Gezeit das Erste, was es zu planen gilt.
NOAA TBOFS, Tampa Bay
TBOFS deckt die Tampa Bay ab, von ihrer Einfahrt bei Egmont Key und der Sunshine Skyway Bridge bis Tampa, St. Petersburg und Old Tampa Bay, und ein Stück des Schelfs von Florida im Golf von Mexiko, wo sein Meeresspiegel an den Pegel von Clearwater Beach angepasst wird. Als ROMS-Modell, operationell seit März 2011, hat es ein Gitter von 100 m bis 1,2 km und 11 Schichten.
Saily WR übernimmt seine Läufe um 00, 06, 12 und 18 UTC, stündlich von H+1 bis H+48, auf einem 0,0025°-Gitter, zusammen mit dem der Bucht von San Francisco das feinste der OFS in Saily WR. Die Bucht füllt und leert sich durch ihre Einfahrt, daher läuft ihr Strom am stärksten im Fahrwasser unter der Brücke und an der Mündung, während über den flacheren Teilen der Bucht der Wind mehr Gewicht hat; eine Sommerbö oder eine Kaltfront kann die Strömung für einige Stunden ebenso stark antreiben wie die Gezeit.
NOAA SFBOFS, Bucht von San Francisco
SFBOFS deckt das ganze Buchtsystem ab, South Bay, Central Bay, San Pablo Bay und Suisun Bay, das Golden Gate und den küstennahen Schelf von Point Reyes bis Point San Pedro. Operationell seit März 2014, läuft es mit FVCOM auf 54.120 Knotenpunkten, deren Dreiecke nahe der Küste etwa 100 m und entlang der Fahrrinnen bis hinunter zu etwa 10 m auseinanderliegen, angetrieben von den 4-km-Winden des NAM.
Saily WR übernimmt seine Läufe um 03, 09, 15 und 21 UTC, stündlich von H+0 bis H+48, auf einem 0,0025°-Gitter. Die ganze Bucht füllt und leert sich durch das Golden Gate, wo der Strom am stärksten läuft, und fächert sich dann zwischen den Inseln und Untiefen der Central Bay auf; an einem Sommernachmittag, wenn der Westwind durch das Gate einsetzt, baut ein Ebbstrom gegen ihn eine steile See auf, und das Kentern der Gezeit verschiebt die beste Bahn quer durch die Bucht.
NOAA CIOFS, Cook Inlet
CIOFS deckt den Cook Inlet in Alaska ab, einen 180 Meilen langen Meeresarm von seiner Mündung bei Kennedy Entrance und der Kachemak Bay bis Anchorage, Knik Arm und Turnagain Arm, mit den Gewässern der Shelikof Strait und um Kodiak Island, wo es bei Kodiak und Alitak geprüft wird. Operationell seit Juli 2019, läuft es mit ROMS auf einem orthogonalen Gitter, das von 10 m in den Ästuaren und Rinnen des oberen Inlet bis 3,5 km auf See reicht, mit 30 Schichten, und lässt seine Watten mit der Gezeit trockenfallen und überfluten.
Saily WR übernimmt seine Läufe um 00, 06, 12 und 18 UTC, stündlich von H+1 bis H+48, auf einem 0,005°-Gitter. Mit Tidenhüben von rund dreißig Fuß, Watten, großen Gletscherflüssen und im Winter Meereis hat der Cook Inlet starke, komplexe Gezeitenströme, die sich stündlich, täglich und mit den Jahreszeiten ändern: Im oberen Inlet plant man einen Törn nach der Gezeit statt nach dem Wind, und ein Boot, das seinen Strom verpasst, kann Stunden verbringen, ohne Strecke gutzumachen.
NOAA GoMOFS, Golf von Maine
GoMOFS deckt den Golf von Maine als Ganzes ab: die Küsten von Massachusetts, New Hampshire und Maine von Cape Cod bis zur kanadischen Grenze, die Fundy-Bucht, die Georges Bank und die Gewässer vor Nantucket sowie das tiefe Wasser jenseits des Schelfs, bis 4500 m entlang seines südlichen offenen Rands. Operationell seit Januar 2018, ist es ein ROMS-Modell auf einem orthogonalen Gitter von etwa 700 m mit 30 Schichten, das 72 Stunden vorausrechnet.
Saily WR übernimmt seine Läufe um 00, 06, 12 und 18 UTC, alle 3 Stunden von H+3 bis H+72, auf einem 0,01°-Gitter. Eine starke Gezeit beherrscht den größten Teil des Golfs und nimmt zur Fundy-Bucht hin zu, wo ihr Tidenhub fast 15 m erreicht: Dort, über der Georges Bank und vor Cape Cod, kann der Gezeitenstrom einen günstigen Törn binnen weniger Stunden in einen ungünstigen verwandeln, und das Modell zeigt, wann.
NOAA NGOFS2, nördlicher Golf von Mexiko
NGOFS2 deckt die US-Küste des Golfs von Mexiko von der mexikanischen Grenze bis zum westlichen Florida Panhandle ab, mit der Corpus Christi Bay, der Galveston Bay, den Marschen Louisianas und der Barataria Bay, dem Lake Pontchartrain, dem unteren Mississippi bis Baton Rouge und der Mobile Bay, dann die mexikanische Küste im Süden und den tiefen Golf auf See. Operationell seit März 2021, ersetzte es drei frühere Systeme durch ein einziges FVCOM-Gitter mit 303.714 Knotenpunkten, von 45 m in Gezeitenprielen, Einfahrten und Binnenwasserstraßen bis 10 km am offenen Rand, und 41 Schichten.
Saily WR übernimmt seine Läufe um 03, 09, 15 und 21 UTC, alle 3 Stunden von H+0 bis H+48, auf einem 0,01°-Gitter. In Küstennähe und über dem Schelf stammt die Strömung von der Gezeit, dem Wind und auf See vom Einfluss des Loop Current, in den Buchten und Ästuaren auch von den Flüssen: Sie läuft am stärksten in den Durchfahrten und Einfahrten der Barriereinseln und an der Mündung des Mississippi. Bei einem Tropensturm haben die Warnungen der NOAA Vorrang, nicht dieses Modell.
Quellen
- Operational Forecast Systems, NOAA Center for Operational Oceanographic Products and Services (2026)
- Chesapeake Bay Operational Forecast System: Skill Assessment for 2001 and Improvements, NOAA Technical Memorandum NOS CS 1, NOAA Office of Coast Survey (2002)
- Technical Implementation Notice – Implementation of the new Oceanographic Forecast Modeling System for Chesapeake Bay, effective March 29, 2011, NOAA National Ocean Service (2011)
- Technical Implementation Notice – Implementation of the new Oceanographic Forecast Modeling System for the Delaware Bay, effective March 29, 2011, NOAA National Ocean Service (2011)
- Technical Implementation Notice – Implementation of the new Oceanographic Forecast Modeling System for the Tampa Bay, effective March 29, 2011, NOAA National Ocean Service (2011)
- Technical Implementation Notice 13-41 Amended – Implementation of the new Oceanographic Forecast Modeling System for the San Francisco Bay, delayed until March 11, 2014, NOAA National Ocean Service (2013)
- Service Change Notice 17-108 Updated – Implementation of new Oceanographic Forecast Modeling System for the Gulf of Maine, effective January 3, 2018, NOAA National Ocean Service (2017)
- Implementation of the Gulf of Maine Operational Forecast System (GoMOFS) and the Semi-Operational Nowcast/Forecast Skill Assessment, NOAA Technical Report NOS CO-OPS 088, NOAA Center for Operational Oceanographic Products and Services (2018)
- Service Change Notice 19-51 – Implementation of new Oceanographic Forecast Modeling Systems for the Cook Inlet and Lake Michigan and Lake Huron, effective July 23, 2019, NOAA National Ocean Service (2019)
- Service Change Notice 21-14 Updated – Implementation of new Oceanographic Forecast Modeling System for the U.S. West Coast (WCOFS) and the Upgraded Northern Gulf of Mexico (NGOFS2), effective March 22, 2021, NOAA National Ocean Service (2021)
- Service Change Notice 24-77 – NOS OFS Framework Version Updates and Implementation of Oceanographic Forecast Modeling Systems for the Salish Sea and Columbia River, effective on or about September 9, 2024, NOAA National Ocean Service (2024)
- NOAA Operational Forecast System (OFS), Registry of Open Data on AWS (2026)