RRFS

Vom RUC zum RRFS

Stündlich aktualisierte Vorhersagen haben in den Vereinigten Staaten eine lange Geschichte. Der Rapid Update Cycle (RUC), entwickelt im Labor der NOAA in Boulder, ging 1994 bei den National Centers for Environmental Prediction (NCEP) in Betrieb, mit einem 60-km-Gitter und einer neuen Analyse alle 3 Stunden; 1998 wechselte er bei 40 km zu stündlichen Aktualisierungen, 2002 auf 20 km und 2005 auf 13 km, als er zum ersten Modell des NCEP wurde, das Wolkenbeobachtungen assimilierte. Am 1. Mai 2012 löste ihn der Rapid Refresh (RAP) über Nordamerika ab, und am 30. September 2014 brachte der High-Resolution Rapid Refresh (HRRR) stündliche 3-km-Vorhersagen für die zusammenhängenden USA.

Daneben betrieb das NCEP einen Flickenteppich weiterer Regionalsysteme auf Grundlage unterschiedlicher Codes: das North American Mesoscale Model (NAM), ein 12-km-Modell mit 3-km-Nestern über den zusammenhängenden USA, Alaska, Hawaii und Puerto Rico, die Läufe des High-Resolution Window (HiresW) und die Ensembles SREF und HREF. Im Juli 2016 wählte die NOAA FV3, den Finite-Volumen-Kern ihres Geophysical Fluid Dynamics Laboratory in Princeton, für ihr nächstes Globalmodell und baute darum das Unified Forecast System (UFS) auf, ein einziges Modellsystem, das von der globalen bis zur regionalen Skala dienen soll. Das RRFS ist die regionale, konvektionserlaubende Anwendung des UFS, entwickelt vom Environmental Modeling Center des NCEP und dem Global Systems Laboratory mit vielen Partnern.

Der Weg verlief nicht reibungslos. In der warmen Jahreszeit 2023 erzeugte das RRFS zu intensive und zu nasse Gewitter, und im August wurde ein Schema für hochreichende Konvektion ergänzt, um sie zu zähmen; dann verfehlte oder unterschätzte es beim Hazardous Weather Testbed 2024 der NOAA mehrere Unwetterlagen, und im Juli 2024 kündigte das Team an, dass sich Version 1 verzögern würde. Eine von der NOAA-Leitung angeforderte Studie führte einen Teil des Problems auf die Art zurück, wie FV3 seine Variablen auf dem Gitter anordnet, und empfahl, Version 2 auf MPAS umzustellen, den am NCAR entwickelten dynamischen Kern. Version 1 wurde dennoch auf FV3 fertiggestellt.

Im Mai 2026 kündigte der National Weather Service die Einführung von RRFS v1.0 für den 31. August 2026 an; der Termin verschob sich dann auf den 6. Oktober, den 14. Oktober und, in der am 15. Oktober 2026 aktualisierten Mitteilung, auf den 3. November 2026. Ein paralleler Echtzeitbetrieb ist seit dem 12. August 2026 öffentlich. Am Tag, an dem das RRFS in Betrieb geht, stellt das NCEP das NAM, die HiresW-Läufe (außer über Guam), die Ensembles HREF und SREF und die auf dem NAM beruhenden Statistiken ein. RAP und HRRR sind davon nicht betroffen: Der HRRR liefert sogar zwei Mitglieder für die neuen Ensembleprodukte des RRFS.

Ein einziges 3-km-Modell für einen Kontinent

FV3, kurz für Finite-Volume Cubed-Sphere (Finite Volumen auf einer Würfelkugel), wurde am Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der NOAA entworfen: Es löst die nicht-hydrostatischen Gleichungen der Atmosphäre mit finiten Volumen, die Buch darüber führen, was in jede Zelle hinein- und aus ihr herausströmt. Im RRFS läuft es als Ausschnittsmodell auf einem einzigen 3-km-Rechengebiet, das ganz Nordamerika abdeckt, statt der getrennten Regionalmodelle von früher. Bei dieser Gitterweite gilt das Modell als konvektionserlaubend: Große Gewitter und Böenlinien werden allmählich explizit abgebildet, auch wenn eine einzelne Zelle oder Böenfront nur wenige Gitterpunkte breit ist.

Die Atmosphäre ist in 65 Schichten unterteilt, die unterste etwa 8 m über dem Boden und die Obergrenze bei 2 hPa, gegenüber 50 Schichten und einer Obergrenze bei 20 hPa beim HRRR. FV3 legt seine Winde auf die Kanten der Zellen, in einer sogenannten D-Gitter-Anordnung, die die oben erwähnte Studie für Kaltluftseen und zu breit werdende Gewitter verantwortlich machte; das ist der Hauptgrund, warum die nächste Version auf MPAS geplant ist.

Die Physik stammt großteils aus der Linie von RAP und HRRR. Wolken und Niederschlag folgen der aerosolsensitiven Thompson-Eidhammer-Mikrophysik; die Grenzschicht, in der sich der auf See gespürte Wind bildet, übernimmt das MYNN-Schema mit Eddy-Diffusivität und Massenfluss, das auch flache Cumuluswolken behandelt, über einer MYNN-Bodenschicht; die hochreichende Konvektion das Grell-Freitas-Schema; die Strahlung RRTMG; die Landoberfläche das RUC-Landoberflächenmodell. Die Großen Seen werden durch das Seemodell FVCOM dargestellt, kleinere Seen durch das Seemodell CLM, und Rauch und Staub von Bränden werden aus satellitengestützten Brandemissionen vorhergesagt.

Wie ein Modelllauf berechnet wird

Das RRFS erneuert seine Analyse jede Stunde, indem es eine 1-stündige Vorhersage mit den neuesten Beobachtungen verbindet: Bodenstationen, Mesonetze, Bojen, Küstenstationen und Schiffe, Radiosonden, Flugzeuge, die NEXRAD-Wetterradare (Reflektivität, Radialwind und daraus abgeleitete Windprofile), von den GOES-Satelliten erfasste Blitze, Wolken- und Windprodukte von GOES sowie die Strahldichten der Sondierungsinstrumente auf polarumlaufenden Satelliten AMSU-A, MHS, ATMS, CrIS, IASI und SSMIS. Stand 2025 werden Satellitenstrahldichten nur bei wolkenfreiem Himmel verwendet.

Das Verfahren ist ein hybrides 3D-EnVar, umgesetzt mit der Software GSI der NOAA. Eine variationelle Analyse sucht den Zustand der Atmosphäre, der sowohl zum First Guess als auch zu den Beobachtungen am besten passt; „hybrid“ und „En“ bedeuten, dass die erwarteten Fehler des First Guess teils aus festen Statistiken und teils aus einem Ensemble mit 30 Mitgliedern bei 3 km stammen, das seinerseits jede Stunde von einem Ensemble-Kalman-Filter (EnKF) aktualisiert wird, sodass sie das Wetter der jeweiligen Stunde widerspiegeln. Die Radarreflektivität wird in diesem Verfahren direkt assimiliert; so startet das Modell mit den Schauern und Gewittern, die bereits auf dem Radar zu sehen sind, statt sie erst entstehen lassen zu müssen.

Ein Regionalmodell, das Stunde um Stunde auf sich selbst aufbaut, kann sich von der großräumigen Strömung entfernen. Zweimal täglich, um 03 und 15 UTC, startet das RRFS seine Atmosphäre deshalb neu aus der globalen Analyse der NOAA und führt sie mehrere Stunden lang stündlich weiter, bis sie wieder in den Hauptzyklus einmündet, während der Zustand der Landoberfläche ohne Unterbrechung weiterläuft; zweimal täglich werden außerdem Informationen aus dem globalen Ensemble in das regionale Ensemble eingemischt. An seinen Rändern erhält das Gebiet seine Randbedingungen vom Globalmodell GFS.

Jede Stunde startet eine Vorhersage: Sie reicht bis 18 Stunden, außer um 00, 06, 12 und 18 UTC, wo sie bis 84 Stunden läuft. Zu diesen vier Terminen laufen außerdem fünf Ensemblemitglieder mit unterschiedlichen Anfangszuständen, Rändern und Physik bis 60 Stunden, und das REFS fasst sie und den deterministischen Lauf zusammen mit denen des 6 Stunden früheren Zyklus sowie zwei HRRR-Mitgliedern über den zusammenhängenden USA und Alaska zu Mittelwerten, Streuungen und Wahrscheinlichkeiten zusammen. Die Ausgabe wird in regionale Gitter zerlegt: 3 km über den zusammenhängenden USA (Lambertsche Schnittkegelprojektion) und Alaska, 2,5 km über Hawaii und Puerto Rico (Mercator) und 13 km über Nordamerika, für einige Variablen mit Feldern im 15-Minuten-Takt.

Die Dateien werden im Format GRIB2 auf dem NOMADS-Server der NOAA veröffentlicht und zum Teil über NOAAPORT verbreitet. Ihre Nutzung ist frei: Im Open-Data-Verzeichnis von Amazon, das den Entwicklungsprototyp bereitstellte, erklärt die NOAA, dass die Nutzung der RRFS-Daten keinen Beschränkungen unterliegt, und bittet lediglich um Quellenangabe und darum, nicht den Eindruck einer Billigung durch die NOAA zu erwecken. Bis zur Umstellung auf den operationellen Betrieb ist der Parallelbetrieb kein operationelles Produkt und kann sich verspäten oder ausfallen.

Auf See

Sein 3-km-Gitter, sein stündlicher Zyklus und seine Radardaten machen das RRFS zu einem der schärfsten verfügbaren Blicke auf die nordamerikanischen Küstengewässer. Es kann die Seebrisen zeichnen, die sich nachmittags an den Küsten Floridas und des Golfs von Mexiko oder in der Chesapeake Bay aufbauen, den durch Meerengen und Buchten kanalisierten Wind, Seewinde und die Kaltwassereffekte der Großen Seen, die es mit einem Seemodell darstellt, sowie die kräftigen Nordwinde, die im Sommer an der kalifornischen Küste entlangziehen. Jeder neue Lauf startet von den Gewittern und Fronten, wie sie eine Stunde zuvor tatsächlich waren.

Manche seiner Stärken sind zugleich seine Grenzen. Die Konvektion war während der Entwicklung seine Schwachstelle, mit zu intensiven Gewittern 2023 und verfehlten Gewittern 2024; eine vom RRFS gezeichnete Bö, oder ihr Fehlen, verdient daher eine gewisse Vorsicht; der 10-m-Wind, den es liefert, ist ein mittlerer Wind, und Böen unter einem Gewitter können viel stärker sein. Wo die Nordwand des Golfstroms warmes und kaltes Wasser trennt, können sich Wind und Seegang auf wenigen Seemeilen abrupt ändern; ein 3-km-Modell gibt diesen Kontrast nur so gut wieder wie die Meerestemperatur, die man ihm vorgibt.

Ein Regionalmodell hängt außerdem davon ab, was über seine Ränder hereinkommt: Ein Tief, das vom Pazifik oder vom Atlantik heranzieht, ist im RRFS nur so gut, wie es im GFS war, das es antreibt. Über einen oder zwei Tage hinaus ist es daher ratsam, das RRFS mit unabhängigen Globalmodellen wie dem IFS des ECMWF oder dem ICON des DWD zu vergleichen. Bei einem Tropensturm oder einem Hurrikan ist das RRFS kein Hurrikanmodell: Die Warnungen des National Hurricane Center haben Vorrang.

In Saily WR

Saily WR nutzt das RRFS als drei getrennte Modelle, eines pro Ausgabegitter: die zusammenhängenden USA, Puerto Rico und Hawaii. Jedes berechnet seine eigene Route, sobald sein Gebiet sowohl den Start als auch das Ziel abdeckt, gesegelt im 10-m-Wind des Modells, räumlich und zeitlich interpoliert, und neben den Routen der anderen Modelle angezeigt, damit man sie vergleichen kann.

Die App übernimmt die vier langen Läufe des Tages, um 00, 06, 12 und 18 UTC, stündlich vom Laufbeginn bis 84 Stunden. Sie überträgt das 3-km-Lambert-Gitter der zusammenhängenden USA auf ein regelmäßiges 0,03°-Gitter und die 2,5-km-Mercator-Gitter von Puerto Rico und Hawaii auf 0,025°-Gitter. Bis das RRFS in den operationellen Betrieb geht, geplant für den 3. November 2026, liest die App den Parallelbetrieb der NOAA; ein Server holt jeden neuen Lauf, sobald er veröffentlicht ist, und die Seite „Daten“ zeigt live, auf welchem Lauf jedes der drei steht, wie weit es reicht und welches Gebiet es abdeckt.