MAX – Meteorological Application of two X-linked Programs

 

(Meteorologische Anwendung zweier über Kreuz verbundener Programme)

 

Wie es dazu kam:

 

Das Projekt MAX entstand aus dem Wunsch, für zurückliegende Unwetterlagen synoptische Karten zu erzeugen. Andere Karten als die üblichen Boden- und Höhenkarten sind im Nachhinein meist nicht zu beschaffen, und die laufende Archivie­rung aller infrage kommen­den Karten bleibt wegen des großen Auf­wandes wohl den Wetterdiensten vorbehalten. Hat man jedoch für den fraglichen Termin wenigstens Bodenbeob­achtungen und Radiosonden­aufstiege als Roh­daten, so lassen sich mit geeigneten Mitteln daraus sehr viele Informatio­nen gewinnen und auf Wetterkarten darstellen. Seit Jahren sind zwei enorm leis­tungsfähige Programme erhältlich, die von praxiserfahrenen Meteorologen geschaffen wurden und ständig weiter­entwickelt werden, ich meine

 

Digital Atmosphere und RAOB.

 

Beide Programme haben unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte, ihre kombinierte An­wendung eröffnet für mich die ge­wünschten Möglichkeiten. De­taillierte Beschreibungen finden sich bei den Autoren (www.weathergraphics.com und  www.raob.com ).

 

Digital Atmosphere ist ein sehr flexibles Darstellungsprogramm für weltweite Wetterdaten aller Art. Ein eindrucksvoller Teil seiner Fähigkeiten betrifft die Darstellung von Radardaten, die in den USA frei verfügbar sind. Es beherrscht die Analyse von Feldern mit Isolinien ebenso wie die Auswertung und Verrech­nung einzelner Parameter von Boden- und Höhen­daten. Es kann mit dem Internet kommunizieren und lange Scripte verarbeiten, die Gestal­tung der Karten steht dem Benutzer in wei­ten Grenzen offen. Obwohl das Programm auf seinem 30x30 Gitterpunkte großen Datenfeld eine Vielzahl von Auswertungen und Berechnungen vornehmen kann,  bleiben für mich einige Wünsche offen, ­vor allem hinsichtlich der Auswertung von Wet­terballonaufstiegen zur Analyse der Gewitterwahrscheinlichkeit.

 

RAOB, ein wahrhaft universelles Auswerteprogramm gerade auch für solche aerologische Daten, stellt das zweite Werkzeug für meine Anwendung dar. RAOB kann die im Internet verfügbaren großen Files verarbeiten und daraus Teilbereiche her­ausfiltern, die dann pro­grammierbar einer  automatischen Auswer­tung unterzogen werden können. RAOB kann eine große Anzahl der Auswerteergebnisse als CSV-Datei bereitstellen. Damit wird eine Karten­darstellung möglich, da Digital At­mosphere externe Daten übernehmen, analysieren und darstellen kann, wenn hierbei auch noch gewisse Einschränkungen bestehen. Zu den inter­aktiven Möglichkeiten von RAOB gehören weiterhin zahlreiche Auswerteverfahren der syn­optischen Meteorologie wie die Erstellung von Temp-Zeitserien und  Querschnitten, hodo­graphi­sche Höhenwindauswertung mit Fron­tenanalyse, spezielle Auswertungen für die Flie­gerei und vieles mehr.

 

MAX, das Bindeglied zwischen den Riesen, ist ein in Visual Basic geschriebenes Programm, das die Steuerung des automati­schen Ablaufs übernimmt. Auch MAX ist in der Entwicklung und wird im Laufe der Zeit noch einige Erweiterungen und Ver­besserungen erfahren.

 

 

Das Konzept von MAX und der Funktionsablauf

 

Das Konzept sah ursprünglich, wie eingangs erwähnt, die Kartenerstellung für eine nach­trägliche Wetteranalyse vor. Dabei ging es um Wetterlagen mit ex­tremen Unwettern, haupt­sächlich durch konvek­tive Ereignisse, also um Schwergewitter mit Hagel, Orkanböen und/oder Tornados

 

Schon bald kam mir die Idee, daß ein funktionierendes System zur Herstellung von speziel­len Wetterkarten auch aktuell ein­gesetzt werden könnte, wenn es automatisch arbei­tete. Dabei würde sogar ein Zeitvorteil gegenüber den großen Rechenzent­ren entstehen, da diese ihre Analysen gemeinsam mit den ersten Vorhersagen meistens erst drei Stunden nach Termin oder noch später veröffentlichen. Dagegen könnte die “kleine Lösung” auf dem PC erste Ergebnisse schon innerhalb der ersten Stunde nach Termin liefern, weitgehend voll­ständige Karten kommen, abhängig von der Verfügbarkeit der Daten im Internet, nach 1.5 bis 2 Stunden zustande. Dies gilt zumindest für die Welt außerhalb der Wetterdienste.

 

Bei einer Nachanalyse sitzt man in der Regel am Rechner, eine “halbautomatische”, inter­aktive Kartenerstellung ist also durchaus angemessen. Anders dagegen muß eine automati­sche Erstellung von Karten “im unbewachten Betrieb” sicher und unterbrechungsfrei ab­laufen.  An­gefangen von der korrekten Gewinnung, Verschlüsselung und Übermittlung der Daten bis hin zur Stabilität der Programme muß alles richtig funktionieren.

 

Mit MAX will ich also zweierlei erreichen:

 

1.      Die Möglichkeit, aus Archivdaten Wetterkarten nach Wahl interaktiv erstellen zu kön­nen,

2.      Eine automatische, zeitnahe Herstellung von Wetterkarten speziell für die Gewitterana­lyse und –vorhersage, wobei die Karten ebenfalls automatisch im Internet veröffentlicht werden.

 

Der Kern der Kartenerstellung ist natürlich in beiden Fällen derselbe, aber die Rahmenbe­dingungen sind bei (2) erheblich schwerer zu erfüllen. Damit in der  kommenden Saison die Karten bereits erprobt und genutzt werden können, habe ich mit Programmierung der aktu­ellen Karten begonnen.

 

Bei der folgenden Beschreibung des Programmablaufs verwende ich für Digital Atmosphere die Abkürzung “DAE”, für das Programm MAX ebenfalls diesen Na­men, der ja auch das Projekt als Ganzes bezeichnet. Die Radiosondenaufstiege werden wie üblich “Temps” ge­nannt, Zeitangaben mit angehängtem “z” be­zeichnen die UTC.

 

 

Der Funktionsablauf wird vom Windows Taskplaner in Gang gesetzt, und zwar mehrmals nach jedem der vier Temp-Termine (00z, 06z, 12z,18z).  Dabei wird der PC in der Regel aus dem Ruhezustand hochgefahren, dann wird MAX gestartet. Als Steu­erprogramm läuft MAX bis zur Fertigstellung der Karten im Hin­tergrund weiter, während von den beiden großen Program­men abwechselnd immer nur eines aktiv ist.

·         MAX startet zunächst DAE und veranlaßt, daß die aktuellen Temps aus dem Internet heruntergeladen werden. Danach wird DAE beendet.

·         MAX filtert aus der heruntergeladenen Temp-Datei alle Bulletins heraus, die nichts mit Wetterballonaufstiegen zu tun haben. Im wesentlichen sind das Flugzeugmeldungen. Ebenso werden Fehlmeldungen und solche Temps entfernt, die nur aus einem oder zwei Meßwerten bestehen. Dadurch wird der wei­tere Ablauf sicherer und schneller.

·         MAX startet zweimal hintereinander RAOB mit verschiedenen vorprogrammierten Konfi­gurationen. Dadurch ist es mög­lich zwei kongruente Datensätze mit unterschiedlichen Parametern zu erhalten, z.B. tiefste und höchste Nullgradgrenze, MUCAPE und SFC ba­sed CAPE. Danach wird RAOB beendet.

·         MAX sortiert die Exportdaten von RAOB in ein großes Datenfeld ein, sortiert doppelte Temps aus und führt einige Sonderbe­rechnungen durch, z.B. wird (nach einem Verfah­ren des US-Wetterdienstes) abgeschätzt, ob Vereisungsbedin­gungen herrschen. Näheres dazu bei der entsprechenden Karte.

·         MAX erzeugt für alle von RAOB exportierten Parameter gesonderte Dateien, die zur Über­gabe an DAE formatiert für die Kartenerstellung zur Verfügung stehen. Diese Da­teien sind recht klein, weil sie für jede Station nur die Koordinaten und einen bzw. zwei Werte enthalten, es sind aber deutlich über 200. Soweit nötig, werden auch noch Um­rechnungen von Höhenangaben über Grund auf  MSL  oder umgekehrt durchgeführt.

·         MAX erzeugt zu allen vorgenannten Parameterdateien gesonderte Dateien für die Be­schriftung der Karten, damit diese und ihr Inhalt auch später eindeu­tig identifizierbar sind. Durch die WMO-Verschlüsselungsrichtlinien ist nur die Angabe von Tag und Stunde eindeutig in den Bulletins angegeben, Monat und Jahr müssen anderweitig defi­niert werden. Das geschieht bei den Daten im Internet in der Regel durch den vom Rechenzentrum vergebenen File­namen, der das voll­ständige Datum und die Bezugs-Uhrzeit enthält. Das Erstellungsdatum des Files im Inhaltsverzeichnis selbst kann davon natürlich abweichen... 

·         Max entscheidet nun, ob genügend Daten für eine Isoliniendarstellung auf den Karten vorhanden sind. Entsprechend der Be­zugszeit und der Anzahl an Temps sucht MAX ein Script aus und startet DAE zur Kartenerstellung nach diesem Script. Falls zu wenige Daten vorhanden sind, wird auf die Isolinien­analyse verzichtet und es werden lediglich die Werte einge­tragen. Dies ist besonders oft zu den Nebenterminen 06z und 18z der Fall, kann aber auch bei den ersten Karten zu den Hauptterminen vorkommen.

·         Die Kartenerstellung ist ein interaktiver Prozeß zwischen DAE und MAX. Während DAE viele Aktionen nach dem Script eigenständig ausführen kann, wie z.B. das Laden eines Kartenvordrucks, das farbige Anlegen von Bereichen, das Zeich­nen von Isolinien usw., müssen für die Übergabe von Dateien mehr­fach Signale zwischen beiden Programmen ausge­tauscht werden, weil die Aktionen verschieden lange dauern können und weil auch in einer Karte meh­rere Parameter ab­gebildet werden können. Am Ende des Prozesses werden die Beschriftungsdaten übertragen und der Karte hinzugefügt. Dann wird die Karte im PC zwischengespeichert.
Da mehrere Karten zu einem Termin erzeugt werden, wiederholt sich der Vorgang für jede Karte – die Scripte können dafür nahezu beliebig lang werden.

·         Wenn alle Karten fertiggestellt sind, wird MAX davon informiert, DAE wird beendet.

·         MAX startet RAOB ein weiteres Mal zur Erzeugung von Tempdiagrammen, die mit dem Karten auf die Website hochgeladen werden. Zum schnellen Aufru­fen der  Temps sind Suchkarten für die vier Termine eingerichtet (siehe den dortigen Info-Text).

·         MAX startet nun das Hochladen der Karten (und einer Aktualisierungsmeldung) per FTP auf meine Website und wird been­det, ohne das Ende des Uploads abzuwarten.

 

 

Stand der Dinge, geplante Erweiterungen, Probleme

 

Zur Zeit finden Probeläufe statt, um die zeitgesteuerte Funktion, das Zusammenspiel der Pro­gramme und den Upload ins Internet zu testen. Dabei werden be­wußt nur wenige Karten regelmäßig erzeugt und die endgültige Festlegung des Kartenprogramms noch zurückgestellt.

Das Kartenangebot wird in der Folge erweitert, wobei zwei Gruppen von Karten geplant sind: Die erste folgt der obigen Be­schreibung und entsteht im wesent­lichen aus Radiosondenda­ten, die von RAOB ausgewertet wurden. Die zweite Gruppe wird aus Karten bestehen, die von DAE allein aus den Rohdaten herge­stellt werden. Im Unterschied zu der ersten Gruppe sind dabei bessere Dateninterpolationsverfahren möglich, so daß die Analysen ge­nauer werden, wahr­scheinlich aber auch mehr Zeit benötigen.

 

Erhebliche Schwierigkeiten traten (und treten noch gelegentlich) auf durch falsch codierte oder sonstwie falsche Daten aus dem Internet. Eine gezielte Filte­rung der Daten und verbesserte Fehlererkennung in RAOB haben große Verbesserungen bewirkt, könen aber prinzipiell nicht alle Fehler erfassen.

Typisch bei Bodenkarten sind gelegentlich auftretende “Pestbeulen”, engl. Bull’s Eyes. Sie entstehen öfter mal bei Schiffsmel­dungen durch Meß- oder Ver­schlüsselungsfehler und natürlich dadurch, daß eine automatische Analyse diese Fehler nor­malerweise nicht erkennt. Es ist selten, daß sie ein Programm zum Absturz bringen, aber ein Feld von Isolinien kann schon merkwürdig verändert werden. Auch bei Radiosondendaten kann es dazu kommen, z.B. bei Vor­zeichenfehlern bei der Verschlüsselung oder wenn ein Temp irgendwo abbricht.

 

Anfängliche Probleme bei der Zeitsteuerung des PC und beim FTP-Upload  scheinen inzwischen gelöst  zu sein. Natürlich ist Murphy mit im Boot, er wird sich sicher wieder mal mit etwas zeigen, woran noch niemand gedacht hat…

 

 

Anmerkungen zu den Karten und zur Homepage

 

Wie erwähnt, werden die Daten von RAOB ausgewertet und DAE extern zugeführt. Das ein­zige Interpolationsverfahren, das in diesem Modus zur Verfügung steht ist das “Nearest Neighbour”-Verfahren. Wie ich es verstanden habe, werden die Daten dabei dem nächstgelegenen Punkt des erwähnten 30x30-Gitters zugewiesen. Leere Gitterpunkte werden durch ein Expansi­onsverfahren mit Daten gefüllt. Danach gibt es noch eine Glättung, damit die Linien nicht zu schlimm aussehen. Das Verfah­ren ist schnell, aber nicht besonders genau, und so wird man ab und zu Meßwerte auf der falschen Seite der Isolinien finden – aber nie sehr weit entfernt. Eine abstandsgewichtete Interpolation oder die Verfahren nach Barnes und Cressman, die merklich bessere und schönere Kar­ten ergeben, stehen nur für direkt von DAE importierte Daten zu Verfügung. Für die Pa­rameter, die DAE nicht selbst berechnen kann, ist man also auf diesen Kompromiß angewiesen.

 

Es ist unvermeidlich, daß in den früh erscheinenden Karten vor allem in den Randbereichen Stationen fehlen, die erst in spä­teren Läufen auftauchen. Die Analyse erzeugt dann oft Iso­linien, die linear zum Kartenrand hin verlaufen. Das ist normal. Ebenso kann es vorkom­men, daß bei der Einfärbung der Karte größere Gebiete ohne Wertunterschiede Probleme machen. Es tauchen dann gelegentlich Bereiche mit Gitterstrukturen oder farbige Dreiecken auf, eher ein ästhetisches als ein substan­tielles Problem.

Die Karten erhalten kurz vor der Fertigstellung einen Zeitstempel (Generated ...) links oben in der Ecke. Die dort angegebene Zeit und die Aktualisierungs­zeit auf der Titelseite können etwas voneinander abweichen. Letztere soll den Zeitpunkt des Temp-Down­loads erkennen lassen. Sie liegt daher vor dem Zeit­stempel auf der Karte. Der Unterschied zwi­schen beiden entspricht etwa der Bearbeitungszeit.

Unten in der Mitte auf der Karte wirden für jeden Parameter ein Titel und eine Zeitangabe gedruckt. Die Zeitangaben entstammen den Daten des ersten Temps im Bulletin und beschränken sich ge­mäß WMO-Verschlüsselung auf Stunde und Tag. Dagegen findet sich im Filenamen links oben auf der Seite in aller Regel ein komplettes Datum, das den Bezug zum Aufstiegstermin festlegt, auch wenn einige Radiosonden mitunter eine bis drei Stunden vor oder nach dem offiziellen Termin aufgelassen werden. Der erste Buchstabe ist eine interne Bezeichnung für die Datenquelle. Auch wenn der erste Temp - und damit die Info auf der Karte - eine vom 6-Stunden-Raster abweichende Stunde anzeigt, haben die meisten der Temps die offizielle Zeit.

 

Die Homepage www.wetteruwe.de, demnächst wahrscheinlich auch www.wetter-uwe.de, ist noch in einem anfänglichen Zu­stand, teils aus Zeitgründen, teils, weil ich HTML  bzw. den Um­gang mit entsprechenden Gestaltungsprogrammen erst lernen muß. Entscheidend ist zu­nächst die Funktionalität, ein bißchen hübscher soll es mit der Zeit schon aussehen!

Mit dem Internet Explorer gibt es keine Schwierigkeit, dagegen funktioniert die Seite mit dem Mozilla FireFox noch nicht perfekt.

 

Stand: 27. Februar 2009