Prognostic Ozone for ICON - Enabling UV Forecasts

Ultraviolette (UV) Strahlung der Sonne stellt ein gut belegtes Risiko für die Gesundheit von Menschen dar. Um die Gefahr zu quantifizieren hat die Weltgesundheitsorganisation (WHO) den UV-Index definiert der die UV-Strahlung als ganzzahlige Werte, typischerweise zwischen 1 und 10, darstellt. Der UV-Index
hängt von mehreren Einflussgrößen ab, unter Anderem von der atmosphärischen Ozonsäule. Er wird auf einer Zeitskala von Tagen vorhergesagt, um die Öffentlichkeit auf Gesundheitsrisiken durch UV-Strahlung hinzuweisen. Diese Aufgabe übernimmt in Deutschland der Deutsche Wetterdienst (DWD), der dafür sein Wettermodell ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic model) in Kombination mit externen Ozonvorhersagen und UV-Strahlungsberechnungen verwendet. ... mehrIn dieser Arbeit wird eine neue Berechnungsmethode vorgestellt, die Ozonvorhersagen mit dem LINearisierten OZonprogramm (LINOZ) und UV-Strahlungsberechnungen mit dem Programm Cloud-J verwendet, um UVIndizes selbstkonsistenter zu berechnen. Beide Programme sind in dem ”Aerosols and Reactive Trace gases”-Modul (ART) enthalten, das Teil von ICON
ist. Das Ergebnis ist ein Modellaufbau, der für einen Testzeitraum von Januar bis April 2025 den UV-Index im Vergleich zu Bodenmessstationen mit einer Genauigkeit von ±1 UV-Indexeinheiten für 94.9% der Daten vorhersagen kann. Ozonsäulen können im Vergleich zu Ozonewatch-Satellitendaten auf der nördlichen Hemisphäre innerhalb einer 5%-Übereinstimmung für einen Vorhersagezeitraum von vier Monaten berechnet werden. Der Sonnenzenitwinkel ist dabei die Einflussgröße, die die größte Variabilität auf den UV-Index verursacht (9.2 ± 1.9). Die aerosoloptische Dicke (4.1 ± 2.9), Bewölkung (4.7 ± 2.1) und Ozonsäule (4.9 ± 1.9) haben einen schwächeren Effekt auf den UV-Index, noch geringer ist der Effekt von Oberflächenalbedo (3.3 ± 2.9) und Höhe (2.5 ± 2.5). Ein Vergleich zu der operationellen DWD-Vorhersage des UV-Index zeigt eine Übereinstimmung von ±2 UV-Indexeinheiten für fast alle Datenpunkte mit der Ausnahme von Bergregionen, in denen auch höhere Abweichungen
vorkommen.

Solar ultraviolet (UV) radiation at Earth’s surface poses a well-documented risk for human health. The World Health Organization has defined the UV-Index to
quantify the amount of UV radiation as integers in a range of 1 to 10+. It depends on a variety of quantities, including the overhead ozone column. The UV-Index
is typically forecasted on the time scale of days to warn the public of health risks. In Germany this is done by the Deutscher Wetterdienst (DWD) who use their weather model ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic model) in combination with external datasets for ozone forecasts and UV radiation calculations. ... mehrThis thesis presents a novel setup to make the UV-Index forecast self-consistent by using ozone calculations via the LINearized OZone (LINOZ) scheme and UV radiation calculations via the Cloud-J scheme from within ICON and the coupled Aerosols and Reactive Trace gases (ART) module. The result is a setup that can forecast ozone and UV-Index fields. For a time frame of January to April 2025, it shows a precision of ±1 units of UV-Index for 94.9% of the data points in comparison to ground measurement stations. Ozone columns stay within 5% agreement for a time period of four months in the northern hemisphere in comparison to Ozonewatch satellite data. The solar zenith angle is found to
be the quantity that introduces most variability (9.2 ± 1.9) on the UV-Index. Aerosol optical depth (4.1 ± 2.9), cloud cover (4.7 ± 2.1) and overhead ozone (4.9 ± 1.9) introduce smaller variabilities while the effect of surface albedo (3.3 ± 2.9) and altitude (2.5 ± 2.5) is even less pronounced. A comparison of the new setup to the operational forecast by the DWD agrees within ±2 units of UV-Index for almost all data points with the exception of mountainous areas, where larger differences occur.