RTOFS

Vom HYCOM der Navy zum täglichen Ozean der NOAA

Die National Centers for Environmental Prediction (NCEP) der NOAA, die das Wettermodell GFS betreiben, begannen im Dezember 2005 mit der Ozeanvorhersage, mit einem Atlantic RTOFS für das Nordatlantikbecken und die US-Küstengewässer, den Golfstrom und den Golf von Mexiko. Sein globaler Nachfolger, RTOFS Global, ging am 25. Oktober 2011 in Betrieb: das erste globale, wirbelauflösende Ozeanvorhersagesystem der NOAA, entwickelt in enger Zusammenarbeit mit der US Navy. 2016 schlugen die NCEP vor, das atlantische System einzustellen, das inzwischen vom globalen abgelöst war.

Sein Ozeanmodell HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model) ging aus isopyknischen Modellen wie dem Miami Isopycnic Coordinate Ocean Model (MICOM) hervor, auf von Rainer Bleck gelegten Grundlagen, und wurde von der University of Miami gemeinsam mit dem Naval Research Laboratory entwickelt. Die Navy nutzte es in ihrem eigenen Global Ocean Forecasting System (GOFS 3.1 — HYCOM mit 41 Schichten und NCODA-Analysen auf 1/12°). RTOFS Version 1.0 startete jeden Tag neu von einer Analyse, die das Naval Oceanographic Office mit NCODA erstellte, und die NCEP stellten das Modell auf ihren eigenen atmosphärischen Antrieb aus GDAS und GFS um.

Am 17. Oktober 2015 erhöhte Version 1.1 die Zahl der Schichten von 32 auf 41, davon neun zusätzliche nahe der Oberfläche, koppelte HYCOM mit dem Meereismodell CICE aus Los Alamos, verbesserte die Bathymetrie bis zu einer Mindesttiefe von 5 m und ging zu einer Zustandsgleichung mit 17 Termen über. Version 2.0, im Dezember 2020 operationell geworden, holte die tägliche Analyse mit einem eigenen System, RTOFS-DA, ins Environmental Modeling Center der NCEP. Es folgten Biaskorrekturen nahe dem Äquator und neue Satelliten (v2.3, August 2022), Stabilitätskorrekturen (v2.4, September 2024) und am 29. Juli 2025 v2.5, die die Assimilation des Meeresspiegels strenger begrenzt und Strömungsmessungen von Driftbojen und HF-Radaren assimiliert.

Der nächste Schritt wurde im März 2026 angekündigt: RTOFS v3.0 soll HYCOM durch MOM6 (Modular Ocean Model) und CICE 4 durch CICE 6 ersetzen, die Komponenten des Unified Forecast System der NOAA. Im Oktober 2026 ist der operationelle Datenstrom weiterhin v2.5, die hier beschriebene HYCOM-Version.

HYCOM: ein Ozean aus drei Arten von Schichten

HYCOM löst wie andere Zirkulationsmodelle die primitiven Gleichungen eines hydrostatischen Ozeans; was es auszeichnet, ist seine Vertikalkoordinate. Im offenen, geschichteten Ozean folgen seine Schichten Flächen gleicher Dichte (isopyknische Schichten), was verhindert, dass Wassermassen mit der Zeit verwischen; in der durchmischten Oberflächenschicht werden sie zu Niveaus fester Tiefe; und über flachen Schelfen folgen sie dem Meeresboden (geländefolgende oder Sigma-Schichten). Jede Schicht hat eine Referenzdichte, und das Modell schiebt ihre Grenzflächen ständig dorthin zurück, sofern sie dadurch nicht zu dicht zusammenrücken.

Das globale RTOFS hat 41 solcher hybrider Schichten, die mit fester Tiefe überwiegend in den oberen 200 m, auf einem tripolaren 1/12°-Gitter mit 4500 × 3298 Punkten: ein Mercator-Gitter südlich von 47°N und nördlich davon ein arktisches Teilgitter mit zwei Polen, sodass kein Punkt auf dem geografischen Pol liegt. Mit etwa 9 km gilt das Modell als wirbelauflösend: Die Wirbel des Ozeans und die Mäander von Golfstrom oder Kuroshio werden berechnet, nicht weggemittelt.

Der Ozean ist stündlich mit CICE 4, dem Meereismodell aus Los Alamos, gekoppelt und wird von der Atmosphäre der NCEP angetrieben: GDAS-Analysen für die Vergangenheit, dann Windschub, Strahlung und Niederschlag der GFS-Vorhersage für die 8 Tage voraus. Das operationelle System hat keine Gezeiten, obwohl der Code von v2.0 einen Gezeitenantrieb für künftige Nutzung hinzugefügt hat, und es ist nicht mit einem Seegangsmodell gekoppelt, sodass seine Strömung keine Stokes-Drift enthält, die Netto-Vorwärtsbewegung des Wassers unter durchlaufenden Wellen.

RTOFS-DA und der Tageszyklus

Jeden Tag sammelt RTOFS-DA die Meeresoberflächentemperatur von Satelliten (METOP-B, VIIRS) sowie von Schiffen und Bojen, den Oberflächensalzgehalt von den Satelliten SMAP und SMOS und von Bojen, Temperatur- und Salzgehaltsprofile (Argo- und Alamo-Floats, Glider, CTD-Profile, Wegwerfsonden, verankerte Bojen und sogar Sensoren, die Meerestiere tragen), die Meereshöhe der Altimetriesatelliten (AltiKa, CryoSat, Jason-3, Sentinel-3A, 3B und 6A) und die Meereiskonzentration von SSMIS und AMSR2. Seit v2.5 nutzt es auch die von Driftbojen und küstennahen HF-Radaren gemessenen Strömungen. Jede Beobachtung durchläuft zuvor eine automatische Qualitätskontrolle und Ausdünnung.

RTOFS-DA ist ein multivariates, mehrskaliges 3DVar auf Grundlage von NCODA (Navy Coupled Ocean Data Assimilation) der Navy. Ein 3DVar sucht den Ozeanzustand, der zugleich am besten zur 24-Stunden-Vorhersage des Vortags als erster Schätzung und zu den Beobachtungen passt, jede nach ihrem erwarteten Fehler gewichtet, und zwar zu einem einzigen Analysezeitpunkt statt über ein Zeitfenster wie ein 4D-Var. Abseits des Äquators erhalten die Dichtekorrekturen Strömungen im geostrophischen Gleichgewicht, dem Gleichgewicht zwischen Druck und Erdrotation; seit 2022 dämpft eine Biaskorrektur die unechten Wellen, die diese Initialisierung früher am Äquator auslöste.

Der Zyklus ist täglich, ab 00 UTC: Die Korrekturen werden dem Modell schrittweise beigemischt (Incremental Analysis Update) statt auf einmal, dann läuft die Vorhersage bis 8 Tage, ihre ersten vier und ihre letzten vier Tage in zwei Etappen über den Tag verteilt. Die Ausgaben, stündliche Oberflächenfelder und sechsstündliche dreidimensionale Felder, in GRIB2 und NetCDF, werden auf den NOMADS-Servern der NOAA und über NOAAPort veröffentlicht und in den offenen Daten der NOAA in der Cloud gespiegelt.

Wie alles, was der National Weather Service veröffentlicht, ist RTOFS nach US-Recht gemeinfrei: kostenlos, für jeden Zweck wiederverwendbar, einzig unter der Bedingung, es weder als eigenes Werk auszugeben noch eine Billigung durch die NOAA zu suggerieren. Verarbeitete Daten, etwa auf ein anderes Gitter umgerechnete, dürfen nicht als Originaldaten der NOAA ausgegeben werden.

Auf See

RTOFS entstand rund um den Golfstrom: Schon das atlantische System lieferte Hinweise zu ihm, und die Auswertung des globalen Systems durch die NCEP prüfte die Lage des Stroms und den Durchfluss, den das Florida-Kabel in der Floridastraße misst. Im offenen Ozean zeichnet es die großen Strömungen und ihre Wirbel überall dort, wo Altimetrie und Floats sie festlegen; diese Strukturen verlagern sich über Tage statt über Stunden, und deshalb lohnt sich eine 8-Tage-Vorhersage von ihnen.

Sein blinder Fleck für Segler sind die Gezeiten. Auf den Kontinentalschelfen und in Meerengen, wo Gezeitenströme vorherrschen, im Ärmelkanal, im Golf von Maine oder in der Fundy-Bucht, liefert RTOFS nur die nicht gezeitenbedingte Strömung, sodass der tatsächliche Strom während der Hälfte jeder Tide gegen sie laufen kann. Dort liest man es am besten als Reststrom, mit Gezeitenstromatlanten oder SMOC, das die Gezeiten enthält, daneben.

Ohne Stokes-Drift fehlt ihm auch der Schub der Wellen in Windrichtung, den SMOC bei Starkwind hinzufügt. Neben SMOC ist RTOFS eine zweite Meinung aus einem unabhängigen System, mit anderem Modell, anderer Assimilation, anderen Winden: Wo die beiden im offenen Ozean bei einer Strömung übereinstimmen, verdient sie Vertrauen; wo sie einen Wirbel unterschiedlich platzieren, ist die Strömung dort unsicher. In Küstennähe ist der größte Teil ihres Unterschieds schlicht die Gezeit.

RTOFS in Saily WR

RTOFS ist eine der beiden Strömungen, die ein Segler in Saily WR wählen kann, neben SMOC oder gar keiner Strömung; die gewählte Strömung wird an jedem Punkt und zu jeder Stunde zur Fahrt des Boots addiert, auf der Route jedes Windmodells, damit diese nebeneinander vergleichbar bleiben. Die App nimmt die Oberflächenströmung von RTOFS, ohne Gezeiten und ohne Stokes-Drift, aus seinem einzigen Lauf pro Tag um 00 UTC: stündlich bis H+72, dann alle 3 Stunden bis H+192, 8 Tage voraus. Die NOAA veröffentlicht jeden Lauf in zwei Teilen, und die App übernimmt jeden, sobald er erscheint: die ersten 72 Stunden erreichen den Server gegen 09:30 UTC, der Rest gegen 15:30 UTC; dazwischen setzt sich eine Route jenseits von H+72 im Lauf des Vortags fort, den der Server aufbewahrt, bis zu dessen Horizont: Von einem Lauf zum anderen wird die Strömung zeitlich interpoliert wie zwischen zwei beliebigen Vorhersageschritten.

Sein tripolares Gitter von etwa 1/12° wird auf ein regelmäßiges 1/12°-Gitter übertragen: Jeder Punkt dieses Gitters erhält den Wert des nächstgelegenen RTOFS-Punkts im Umkreis von 15 km. Ein Server lädt jeden neuen Lauf, sobald er veröffentlicht ist, und die Seite „Daten“ zeigt live, auf welchem Lauf RTOFS steht, seinen Horizont und seine Abdeckung.

Berechnen Sie denselben Hochseetörn erst mit RTOFS, dann mit SMOC, und Sie sehen, wie sehr eine Route von der Ozeananalyse abhängt: Schicken beide Strömungen sie in dieselbe Richtung, ist die Wahl solide; teilen sich die Routen um einen Wirbel, verdient dieser Wirbel auf dem Wasser einen genaueren Blick. In Küstennähe ist ein Unterschied zwischen beiden zuerst einmal die Gezeit, die SMOC enthält und RTOFS weglässt.