Original paper

Comparison and validation of two high-resolution weather forecast models at Frankfurt Airport

Dengler, Klaus; Keil, Christian; Frech, Michael; Gerz, Thomas; Kober, Kirstin

Meteorologische Zeitschrift Vol. 18 No. 5 (2009), p. 531 - 542

published: Oct 1, 2009

DOI: 10.1127/0941-2948/2009/0399

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Abstract

In recent years the 'Nowcasting Wake Vortex Impact Variables' model NOWVIV has been developed at the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR, to forecast weather parameters in airport environments. The German Meteorological Service, DWD, employs his COSMO-DE model (COnsortium for Small scale Modelling-DEutschland) for operational forecasts in Germany. A systematic comparison of model output from NOWVIV and a derivate of COSMO-DE, named COSMO-FRA, is presented. Both models are centred at Frankfurt Airport with horizontal resolutions of 2.1 km and 2.8 km, respectively. In the DLR Project Wetter & Fliegen the COSMO-FRA model will replace the NOWVIV model and become a key component in the future rapid update cycle for adverse weather predictions at the airports of Frankfurt and Munich. The forecast vertical profiles of runway crosswind, head/tail wind, temperature, and turbulent kinetic energy (TKE) are validated against Wind and Temperature Radar (WTR/RASS) measurements operated by the German Air Navigation Service Provider, DFS, within a 40 day period during fall 2004 and a 60 day period during winter 2007. Model and WTR output is provided every 10 minutes. In general it was found that the predictions of both models yield similar skills based on the root mean square error (RMSE) and mean bias statistics of the crosswind as well as the false alarm-rate (FAR) statistics in forecasting different crosswind thresholds. The RMSE of crosswind between ground and 1600 m altitude ranges between 2.2 and 3.0 ms-1 for NOWVIV in fall and winter. For COSMO-FRA this error ranges between 2.0 and 2.5 ms-1 during winter and 2.5 and 3.5 ms-1 during fall, respectively. The FAR for exceeding a crosswind threshold of 3 ms-1 is about 23 % in fall and 17 % in winter for both models.

Kurzfassung

In den vergangenen Jahren wurde am DLR das 'Nowcasting Wake Vortex Impact Variables' Modell NOWVIV mit dem MM5 als dynamischen Kern zur Vorhersage meteorologischer Parameter im Flughafennahbereich entwickelt. Der Deutsche Wetterdienst, DWD, nutzt sein COSMO-DE Model (COnsortium for Small scale Modelling - DEutschland) für operationelle Vorhersagen in Deutschland. In der vorliegenden Studie wird ein systematischer Vergleich von Prognosen des NOWVIV und des COSMO-FRA Modells, welches auf dem operationellen COSMO-DE Modell des Deutschen Wetterdienstes basiert, präsentiert. Beide Modelle wurden an die Umgebung des Flughafens Frankfurt angepasst und mit einer horizontalen Auflösung von 2,1 km (NOWVIV) und 2,8 km (COSMO-FRA) betrieben. Im DLR-Projekt Wetter & Fliegen wird das COSMO-FRA Modell das NOWVIV Modell ersetzen und eine Schlüsselrolle im “Rapid Update Cycle” zur Vorhersage widriger Wetterverhältnisse an den Flughäfen Frankfurt und München spielen. Vorhersagen vertikaler Profile des die Landebahnen querenden und parallelen Windes, der Temperatur und der Turbulenten Kinetischen Energie (TKE) wurden mit Messungen eines Wind-Temperatur-Radars (WTR/RASS) der Deutschen Flugsicherung (DFS) für eine 40-tägige Periode im Herbst 2004 bzw. einer 60 Tage Periode im Winter 2007 verglichen. Vorhersage- und Messdaten liegen in 10 Minuten Auflösung vor. Generell wurde festgestellt, dass die Prognosen beider Modelle ähnliche Qualität haben. Dieses Ergebnis basiert auf einer Analyse des mittleren quadratischen Fehlers und der Häufigkeit schwellenwertabhängiger Fehlprognosen (False Alarm Ratio, FAR) des Querwindes. Der mittlere quadratische Fehler der Querwindvorhersagen zwischen dem Boden und 1600 m liegt zwischen 2,0 und 3,0 ms-1 für NOWVIV im Herbst und Winter. Für COSMO-FRA liegt dieser Fehler zwischen 2,0 und 2,5 ms-1 im Winter und 2,5 bis 3,5 ms-1 im Herbst. Für beide Modelle beträgt FAR für die Vorhersage von Querwinden von mindestens 3 ms-1 etwa 23 % im Herbst und 17 % im Winter.