Ausbildungsseminar Wetter und Klima Wettervorhersage & Wetterdienst von Martin Birke 24. November 2009 Universität Regensburg Fakultät Physik
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Ausbildungsseminar Wetter und Klima
Wettervorhersage & Wetterdienst
von
Martin Birke
24. November 2009
Universität Regensburg
Fakultät Physik
Inhaltsverzeichnis
1 Geschichte der Wettervorhersage 2
1.1 Brandes Beitrag zur modernen Wettervorhersage . . . . . . . . . 2
1.2 Bjerknes Beitrag zur modernen Wettervorhersage . . . . . . . . . 3
1.3 Richardsons Versuch einer numerischen Wettervorhersage . . . . 3
1.4 Der Durchbruch in der Wettervorhersage . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Der Deutsche Wetterdienst 4
2.1 Geschichte der Wetterdienste in Deutschland . . . . . . . . . . . 4
2.2 Deutscher Wetterdienst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Andere Wetterdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Messung von meteorologischen Daten 6
3.1 Messen der Wetterelemente in Bodennähe - Wetterstation . . . . 6
3.2 Messen der Wetterelemente in der Atmosphäre . . . . . . . . . . 8
3.2.1 Radiosonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2.2 Wetterradar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2.3 Windprofiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.4 Wettersatelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.5 Weitere Verfahren zur Datenbeschaffung . . . . . . . . . . 11
3.3 Messnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.4 Auswertung der Daten - Archivierung - Klimadiagramme . . . . 12
3.5 Wetterkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 Wettervorhersagen und deren Probleme 13
4.1 Numerische Wettervorhersage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2 Probleme bei der Wettervorhersage . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3 Instabilität im Wettergeschehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.4 Nowcasting (0h-2h) - Synoptische Meteorologie . . . . . . . . . . 15
4.5 Kurzfristvorhersage (12-27h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.6 mittelfristige Wettervorhersagen (72h bis 10d) . . . . . . . . . . . 15
4.7 Langfristvorhersagen (ab 10d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.8 Prognoseprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.9 Statistische Güteabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.10 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1
1 Geschichte der Wettervorhersage
Wetterbeobachtungen waren schon im Altertum wichtig, weil die Menschen von
Temperatur und Niederschlag abhängig waren (Landwirtschaft, Schifffahrt).
Das erste Buch der Wetterkunde wurde von Aristoteles ca. 350 v. Chr. ver-
fasst. (Fachwörter wie: Tromben, Taifun gehen auf ihn zurück).
Instrumentelle Wetterbeobachtungen waren erst durch die Erfindung des Ther-
mometers (Galilei und Drebbel :1592) und des Barometers (Toricelli: 1643) mög-
lich. Damit waren erste Wettervorhersagen aufgrund von Messungen möglich.
(fallender Druck → Regen ; steigender Druck → Wetterbesserung).
1.1 Brandes Beitrag zur modernen Wettervorhersage
Bis ca. 1850 war es das Ziel der Geographen, Kartographen oder Physiker, die
sich mit dem Wetter beschäftigten, Jahresmittelwerte von Temperatur, Luft-
druck und Luftfeuchte zu messen. Mit diesen Mittelwerten wollte man das Wet-
ter individuell für jeden Ort vorhersagen. Heinrich Wilhelm Brandes (1777-1856)
wollte das Wetter von ganz Europa für alle 365 Tage auf Karten darstellen. Er
erhielt von der Pfälzer Gesellschaft für Meteorologie alle Daten des Jahre 1783
von 40-50 Orten zwischen den Pyrenäen und dem Ural und erstellte für jeden
Tag eine Wetterkarte. Er erkannte als erster Gebiete zusammenhängenden Wet-
ters und die Zugbahnen der Tiefdruckgebiete. Das Neue an seiner Idee wurde
damals nicht verstanden.
Abbildung 1: Wetterkarte aus dem Jahr 1783
Der erste Wetterdienst entstand aus militärischen Überlegungen heraus. Im
Krimkrieg (1853-1856) zwischen Russland und dem osmanischen Reich wurde
die Flotte der Türkei und deren englisch-französischen Verbündeten von einem
Sturmtief überrascht, worauf sie einige Schiffe verlor. Kaiser Napoleon III (1808-
1873) veranlasste daraufhin diese Wetterereignisse zu untersuchen. Es stellte sich
heraus, dass dieses Ereignis vorausgesagt hätte werden können und die Flotte
2
telegraphisch gewarnt hätte werden können. Es wurde die Einrichtung eines
ersten Wetterdienstes beschlossen, um in Zukunft vor solchen Wetterereignissen
besser gewarnt zu sein.
1.2 Bjerknes Beitrag zur modernen Wettervorhersage
1904 betrachtete Bjerknes das Problem der Wettervorhersage vom Standpunkt
der Mechanik und der Physik. Er meinte, dass man das Wetter unter folgenden
Voraussetzungen prinzipiell berechnen kann:
• Man muss mit hinreichender Genauigkeit den Zustand der Atmosphäre zu
einer gewissen Zeit kennen.
• Man muss mit hinreichender Genauigkeit die Gesetze kennen, nach denen
sich der eine atmosphärische Zustand aus dem anderen entwickelt.
1.3 Richardsons Versuch einer numerischen Wettervor-
hersage
1910 findet Richardson eine Näherungslösung, die eine Wetterberechnung er-
möglicht. Er hatte relativ viele Daten aus der dritte Dimension, weil am 20.
Mai 1910 der internationale Ballon Tag war, an dem viele Messungen durchge-
führt wurden.
Abbildung 2: "Rechenmaschine"mit 64000 Menschen
Richardson benötigte für eine Luftdruckprognose des 20.Mai 1910 11 Jahre.
Um die Rechenzeit zu verkürzen gab es Überlegungen 64000 Frauen (rechnen
genauer) in einem Raum rechnen zu lassen, aber selbst das wäre wohl zu langsam
gewesen. Richardson errechnete eine Luftdruckänderung von 145 hPa, was sehr
weit von der wirklichen Luftdruckänderung (< 1hPa) entfernt war. Nach seinem
Scheitern fasste er seine Methode und seine Resultate in einem Buch zusammen.
Daraufhin beschäftigte sich 2 Jahrzehnte niemand mehr mit diesem Thema.
3
1.4 Der Durchbruch in der Wettervorhersage
Charney und Neumann berechneten 1950 mit einem sehr einfachen Modell und
Mit Hilfe der ersten Computer die erste Wettervorhersage, die richtige Werte
lieferte. Sie benutzten den ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Com-
puter) der US Armee. Dieser Großrechner beherrschte Addition, Subtraktion,
Multiplikation, Division und Quadratwurzelziehen. 1958 begann das US Wea-
ther Bureau mit der Erstellung von Höhenwetterkarten der gesamten Nord-
halbkugel für die 3 Tages Vorhersage. Schnell wurde klar, dass die numerische
Wettervorhersage der Wetterbeobachtung überlegen war.
Abbildung 3: ENIAC
2 Der Deutsche Wetterdienst
2.1 Geschichte der Wetterdienste in Deutschland
Mitte des 17. Jahrhunderts begann in Deutschland die systematische Erfor-
schung und Beobachtung des Wetters mit der Entwicklung von Meßinstrumen-
ten, die erstmalig eine quantitative Erfassung der Wetterdaten ermöglichten. Die
älteste Meßreihe in Deutschland stammte von S.Reyher (1679-1714), der 4 mal
täglich Luftdruck, Temperatur, Feuchte, Wind und Himmelsansicht bestimm-
te. 1780 wurde in Mannheim die Societas Meteorologica Palatina gegründet,
die als erster Wetterdienst gilt. Diese Gesellschaft richtete das erste Beobach-
tungsnetz ein, wobei einheitliche Instrumente und gleiche Beobachtungszeiten
(Mannheimer Stunden, 7 14 und 21 Uhr) festgelegt wurden. Meilenstein in der
synoptischen Meteorologie war die Erfindung des Telegraphen, weil damit die
Erstellung aktueller Wetterkarten möglich wurde (Weltausstellung 1851 in Lon-
don erstmals vorgeführt). Erst ab Mitte des 19. Jahrhunderts entstanden in
Deutschland regionale Wetterdienste, welche 1934 zum Reichswetterdienst zu-
sammengefaßt wurden. Nach Kriegsende wurden in allen 4 Besatzungszonen
eigene Wetterdienste gegründet. Aus den Wetterdiensten der 3 westlichen Be-
satzungszonen ging 1952 der Deutsche Wetterdienst (DWD) hervor.
4
2.2 Deutscher Wetterdienst
Der Deutsche Wetterdienst ist der meteorologische Dienst der Bundesrepublik
Deutschland mit Hauptsitz in Offenbach am Main. Er ist in staatlicher Hand und
dem Verkehrs-Ministerium unterstellt. Der DWD hat das dichteste und größte
meteorologische Messnetz in Deutschland. Er betreibt 173 hauptamtliche Wet-
terstationen (100 mit Personal besetzt ), welche stündlich Temperatur (Luft-
und Bodentemperatur), Luftdruck, Luftfeuchte, Sonnenscheindauer, Wind und
Niederschlag messen. Des weiteren gibt es 2400 nebenamtliche Stationen, die
teilweise von ehrenamtlichen Wetterbeobachtern betreut werden. Die Hauptauf-
gabe des DWD ist, vor wetterbedingten Gefahren (Hitze, Kälte Überschwem-
mungen, Unwetter, Erdbeben,...) zu warnen sowie das Klima in Deutschland zu
überwachen. Außerdem betreibt der DWD das Klimaarchiv der Bundesrepublik
Deutschland, in dem alle Wetterdaten archiviert werden. Zu den wichtigsten
Aufgaben des DWD gehören:
• Erbringung meteorologischer Dienstleistungen
• Meteorologische Sicherung der Luft- und Seefahrt
• Herausgabe von amtlichen Warnungen über Wettererscheinungen
• Kurzfristige und langfristige Erfassung, Überwachung und Bewertung der
meteorologischen Prozesse
• Erfassung der meteorologischen Wechselwirkung zwischen der Atmosphäre
und anderen Bereichen der Umwelt
• Vorhersage der meteorologischen Vorgänge
• Überwachung der Atmosphäre auf radioaktive Spurenstoffe
• Betrieb der erforderlichen Mess- und Beobachtungssysteme
• Bereithaltung, Archivierung und Dokumentierung meteorologischer Daten
und Produkte
In der Agrarmeteorologie erstellt der DWD Vorhersagen, die speziell auf die
Landwirtschaft ausgelegt sind. Dieser Wirtschaftszweig (Land/Forstwirtschaft,
Obstbauern, Winzer) ist besonders stark vom Wetter abhängig. Die Luftfahrt
ist in besonderem Maße auf das aktuelle Wetter und dessen Vorhersagen an-
gewiesen. Zuverlässige und aktuelle Wetterinformationen tragen wesentlich zur
Erhöhung der Sicherheit und Effizienz in der Luftfahrt bei. Eine weiter Ab-
teilung des DWD ist die Klima- und Umweltberatung. Dabei geht es darum
Planungsgutachten zu erstellen, um zu erfahren wie die klimatische Eignung
eines Ortes für z.B. Windkraftanlagen ist, oder ob an einem Ort vermehrt mit
Unwetter zu Rechnen ist. In der Biometeorologie werden die Zusammenhänge
zwischen atmosphärischen Prozessen und lebenden Organismen erforscht. Die
Hydrometeorologie befasst sich mit den Wechselwirkungen des Gesamtsystems
Atmosphäre und Hydrosphäre. Darunter fällt auch der Hochwasserschutz und
die Nutzung der Wasserressourcen. Die maritime Meteorologie befasst sich mit
dem Wetter auf den Meeren. Der Seewetterbericht und die individuelle Wetter-
beratung sind besonders wichtig für einen sicheren Schiffsverkehr. Diese Bereiche
gehören alle zur angewandten Meteorologie. Der DWD betätigt sich auch in der
Forschung. Die Schwerpunkte liegen dabei in den folgenden Bereichen:
5
• Entwicklung numerischer Wettervorhersagemodelle
• Anschlußverfahren zur Interpretation der Modellergebnisse
• Klimatologische Beschreibung der Atmosphäre durch satellitengebundene
Fernerkundungsverfahren
2.3 Andere Wetterdienste
Die WMO (World meteorological Organization) besteht aus 185 Staaten, die
jeweils einen eigenen Wetterdienst betreiben. Ziel der WMO ist eine weltwei-
te Zusammenarbeit bei der Einrichtung von Stationsnetzen für meteorologische
Beobachtungen. Jeder Wetterdienst ist auf globale Wetterdaten angewiesen, um
das regionale Wettergeschehen zu beurteilen und vorherzusagen. Meteoalarm ist
eine europäische Organisation, die vor extremen Wetterlagen (Starkregen mit
Hochwassergefahr, schweren Gewittern, Sturmböen, Hitzewellen, Waldbrände,
Nebel, Schnee) warnen will. Dazu werden die Daten der nationalen Wetter-
dienste in Europa zusammengeführt. Neben den staatlichen Wetterdiensten gibt
es auch private Wetterdienste, die meist nur Wettervorhersagen erstellen (z.B.
Flugwetterdienste an Flughäfen) und auch ein eigenes Messnetz haben. Die
bekanntesten privaten Wetterdienste sind: Meteomedia,Wetteronline, Donner-
wetter, Top-Wetter, Meteo Group, Q-Met .
3 Messung von meteorologischen Daten
3.1 Messen der Wetterelemente in Bodennähe - Wetter-
station
Um die Wetterelemente in Bodennähe zu messen wird eine Wetterstation ver-
wendet. Kernstück ist die Wetterhütte, die 2m über dem Boden stehen soll.
Sie besteht aus winddurchlässigen Lamellenwänden um nicht der direkten Son-
neneinstrahlung ausgesetzt zu sein. Für das Aufstellen der Hütten und aller
Geräte gibt es genaue Vorschriften der WMO. Jede Wetterhütte ist mit einem
Luftfeuchtigkeitsmessgerät (Psychrometer) , einem Maximum- und Minimumt-
hermometer und einem Thermohygrograph ausgestattet. Ein Psychrometer be-
Abbildung 4: Wetterstation
6
steht aus zwei Thermometern, von denen eines in ein feuchtes Material gehüllt
ist (z.B. feuchtes Baumwolltuch). Je trockener die Luft ist, desto schneller ver-
dunstet die Flüssigkeit, desto mehr Verdunstungskälte wird hervorgerufen und
desto größer ist die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermometern.
Aus der Temperaturdifferenz kann man die relative Luftfeuchtigkeit ermitteln.
Bei der Messung muss besonders darauf geachtet werden, dass das Feuchttermo-
meter gut belüftet wird, um zu verhindern, dass der entstandene Wasserdampf
die Verdunstung behindert. Dieses Messprinzip erreicht eine sehr hohe Genau-
igkeit (+/- 0,5%).
Der Thermohygrograph zeichnet den zeitlichen Verlauf von Lufttemperatur und
Luftfeuchtigkeit auf. Dazu wird das temperaturabhängige Verbiegen eines Bime-
tallstreifens und die Luftfeuchtigkeit auf einen Schreibarm übertragen, der die
Ergebnisse auf einer Papiertrommel aufzeichnet. Der Luftdruck wird mit einem
Dosenbarometer gemessen. Eine Metalldose, dessen Inneres evakuiert ist ver-
ändert ihr Volumen, wenn sich der Luftdruck ändert. Diese Volumenänderung
wird an einem Zeiger angezeigt. Zu einer Wetterstation gehört auch das Bo-
denmeßfeld mit weiteren Thermometern zur Meßung der Erdbodentemperatur,
einen Regenmesser und einer planierten Stelle zur Meßung der Schneehöhe.
Abbildung 5: Anemometer
Windmeßgeräte sollen mindestens 10m über die benachbarten Bäume oder
Häuser reichen. Man misst die Windrichtung (Messung mit Fahne) und die
Windgeschwindigkeit (Messung mit Schalensternanemometer).
Um den 3-dimensionalen Windvektor zu bestimmen verwendet man ein Ultra-
schallanemometer (1996 erfunden). Dieses Gerät sendet von jedem der vier Sen-
soren Ultraschallwellen an die drei anderen Sensoren aus, wobei der Wind die
Schalwellen sowohl horizontal als auch vertikal versetzt, so dass der Schall ent-
sprechend zeitverzögert den nächsten Sensor erreicht. Aus dieser Verzögerung
berechnet die Messelektronik die horizontale und vertikale Windgeschwindig-
keit. Besonders interesseant ist dabei die vertikale Windgeschwindigkeit, weil
sie mit herkömlichen Windmessern nicht gemessen werden kann, aber für die
numerische Wettervorhersage einen wichtige Messgröße ist. Weitere Vorteile des
7Ultraschallanemometer sind die höhere Genauigkeit und das Fehlen von Träg-
heit im System.
Abbildung 6: Kombinierter Temperatur und Feuchtigkeitssensor
Bei analogen Stationen müssen die Messwerte täglich um 7, 14 und 21 Uhr
abgelesen werden. Bei digitalen Wetterstationen werden die Daten automatisch
an einen PC übertragen. Die meisten Wetterstationen sind heute digitale Wet-
terstationen. An den besetzen Wetterstationen (Wetterwarten) wird auch noch
die Art und Anzahl der Wolken festgehalten, die Wolkenuntergrenze, sowie die
Sichtweite gemessen. Zur Sichtweitenmessung werden auch Transmissiometer
(Messung der Extinktion, d.h. des Lichtverlustes durch Trübung) eingesetzt.
An den vollständig ausgerüsteten Wetterstationen werden außerdem die Strah-
lungskomponenten gemessen. Die von der Sonne kommende kurzwellige Strah-
lung wird in der Atmosphäre gestreut und erwärmt die Erd- und Wasserober-
fläche. Der Erwärmung entsprechend steigt die Temperatur und die Oberfläche
sendet langwellige Strahlung aus. Man misst folgende Komponenten:
• Direkte Sonnenstrahlung und diffuse Himmelsstrahlung (fällt bei der Streu-
ung in der Atmosphäre auf die Erde)
• atmosphärische Gegenstrahlung (von der Atmosphäre emmitierte und auf
die Erde treffende Wärmestrahlung)
• Ausstrahlung der Erdoberfläche
• reflektierte kurzwellige Strahlung
Einige Wetterstationen mit Personal messen noch zusätzliche Wetterdaten,
z.B. Ozon, Zusammensetzung der Atmosphäre, Radioaktivität,...
3.2 Messen der Wetterelemente in der Atmosphäre
3.2.1 Radiosonde
Die Messung von Wetterdaten auf der Erdoberfläche reicht nicht aus um das ge-
samte Wettergeschehen zu erfassen. Man benötigt Daten aus höheren Schichten
8der Atmosphäre. Um 1900 hat man begonnen mit Flugzeugen und Heißluftbal-
lonen erste Messungen durchzuführen.
Abbildung 7: Wetterballon
Regelmäßige Messungen ermöglichte erste die Radiosonde ab 1927. Dabei
funkt ein Kurzwellensender, der von einem Wetterballon getragen wird laufend
Daten an die Bodenstation. Dadurch war es erstmals möglich täglich Höhenwet-
terkarten zu erstelen. Heute werden mit der Radiosonde Temperatur Luftdruck
und Luftfeuchte bestimmt. Mit einem Radar (oder GPS Gerät) wird die Positi-
on des Ballons bestimmt und daraus Windrichtung und Windstärke bestimmt.
Der Ballon erreicht eine Höhe von 25-30 km bis er platzt. In Deutschland werden
alle 12 Stunden an 10 Wetterstationen Radiosonden in den Himmel geschickt.
Weltweit gibt es ca. 1000 Wetterstationen, die regelmäßig Messungen mit Ra-
diosonden durchführen.
3.2.2 Wetterradar
Das Wetterradar (RADAR = RAdio Detecting And Ranging) wird zur Erfas-
sung von Niederschlag verwendet. Der DWD unterhält ein Netzt von 16 Radar-
anlagen.
Abbildung 8: Radarstation
9Die Antenne des Radarsystems strahlt einen auf ca. 1◦ gebündelten, elek-
tromagnetischen Puls von bekannter Frequenz, Länge und Leistung ab. Nie-
derschlagsteilchen streuen diese Energie und senden sie teilweise zur Antenne
zurück. Aus der Laufzeit des Empfangssignals lässt sich die Entfernung bestim-
men. Neben der Intensität der rückgestreuten Signale erfassen die Radaranlagen
über die Dopplerverschiebung auch die mittlere radiale Geschwindigkeit der Nie-
derschlagsteilchen. Aus der Echo Intensität P erhält man Informationen zu den
Niederschlagsintensitäten J [ml/h] und zur Entfernung der Niederschlagsgebiete
R [m]. k ist eine Gerätekonstante und n hängt vom Rückstreuprozess ab.
Jn
P =k
R2
Aus den gemessenen Daten werden vor Ort auswertbare Bilder produziert.
Dieses Verfahren eignet sich sehr gut um kurzfristige Prognosen (Nowcasting)
zu erstellen, weil man die Zugbahnen der Wolken verfolgen kann.
3.2.3 Windprofiler
Mit Hilfe von Radar lässt sich auch die Windrichtung und die Windgeschwindig-
keit messen. Dazu verwendet man Windprofiler. Bei diesem Verfahren werden
elektromagnetische Impulse (482 MHz) in mindestens 3 verschiedenen Strahl-
richtungen ausgesandt. Die rückgestreuten Wellen erfahren dabei in Abhängig-
keit von der durch den Wind bestimmten Bewegung der turbulenten Strukturen
eine Frequenzverschiebung (Dopplereffekt). Daraus lässt sich der gesamte Wind-
vektor berechnen.
Abbildung 9: Windprofiler
Meteorologische Daten werden auch von Linienflugzeugen bei Start und Lan-
dung im Höhenbereich bis 12 km gewonnen. Durch das europäische Flugzeug-
messsystem (E-AMDAR (European Aircraft Meteorological Data Relay) ) wer-
den täglich Lufttemperatur, Windrichtung und Windgeschwindigkeit von 650
Flügen aufgenommen.
3.2.4 Wettersatelliten
Wettersatelliten werden zur Beobachtung der meteorologischen Vorgänge auf
der Erde eingesetzt. Einer ihrer großen Vorteile ist, dass sie auch von wenig er-
schlossenen Gebieten (Ozeane, Wüsten) Informationen liefern. Wettersatelliten
befinden sich auf geostationären Umlaufbahnen (36000 km) und auf polumlau-
fenden Umlaufbahnen (800km-1500km).
10Abbildung 10: Satellit Meteosat
Mit den geostationären Satelliten ist es möglich die zeitliche Entwicklung
von Wettersystemen anzuzeigen, weil der Satellit von der Erde aus gesehen
ortsfest ist. Ein Satellit tastet ca. ein Drittel der Erdoberfläche in zwölf Spek-
tralbereichen (0,6 bis 13,4 µm) ab. Darunter sind z.B. die Absorptionsbanden
von Wasserdampf (6.3µm und 7.2µm) um die Luftfeuchtigkeit zu bestimmen,
Ozon (9.7µm) und Kohlendioxid (13.4µm). Durch die Bestimmung des Strah-
lungsmaximums von Wolken oder von der Erdoberfläche kann deren Temperatur
bestimmt werden. Indem man den Planetenrand scannt kann man die Atmo-
sphäre wie eine Schicht durchleuchten und die Gaskonzentration in der Atmo-
sphäre bestimmen. Um die ganze Erde zu erfassen sind mehrere geostationäre
Satelliten nötig, da jeder nur maximal 2/5 der Erdoberfläche abdeckt, wobei
die Auflösung nur direkt unter dem Satelliten am besten ist. Durch Beobach-
ten der Satellitenbilder sind sehr gute kurzfristige Prognosen möglich. Tropische
Wirbelstürme können vorhergesagt werden. Zum Betrieb von Wettersatelliten
tragen momentan Europa die USA, Russland, China, Indien und Japan bei.
3.2.5 Weitere Verfahren zur Datenbeschaffung
Der DWD betreibt außerdem ein Wetterbeobachtungsnetzwerk (WeBoKaN).
Dabei handelt es sich um ein Kammeranetzwerk, dass vollautomatisch digitale
Bilder und Filme des Wettergeschehens bereitstellt. Weitere meteorologische
Geräte:
• Blitzortungssysteme können Blitze auf etwa 100m genau orten. Für Wet-
tervorhersagen liefern sie wichtige Information, nämlich wo und wie oft
Blitze auftreten. Daraus kann auf sich verstärkende und vergehende Ge-
witter geschlossen werden.
• Raman lidar for Atmospheric Moisture SenSing (Ramses): ist ein Laser
Radar System, dass Wasserdampf -Vertikalprofile mit sehr guter Auflö-
sung liefert. Man strahlt mit einem Laser, der von den Wolken teilweise
reflektiert wird, in die Atmosphäre. Aus der zurückkommenden Intensität
und der Laufzeit des Laserstrahls kann man kann man dann die Verteilung
des Wasserdampfes bestimmen.
11• Fourier-Transformations-InfraRot-Spektrometer (FTIR): Messung des Spek-
trums der atmosphärischen Strahlung im Bereich von 3,3µm bis 20µm.
Man erhält Feuchte und Temperaturprofile der unteren Troposphäre. Das
Gerät arbeitet nach dem Prinzip des Michelson Interferrometers. Hierbei
wird das Licht der Atmosphäre durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrah-
len aufgespalten, die, nachdem der eine über einen beweglichen, der an-
dere über einen feststehenden Spiegel reflektiert wurde, gleichzeitig auf
einem Detektor nachgewiesen werden. Die Messerfassungselektronik er-
fasst somit als Funktion der Position des beweglichen Spiegels die durch
Interferenz hervorgerufenen Intensitätsschwankungen, das sogenannte In-
terferogramm. Durch Fourier-Transformation wird anschließend aus die-
sem Interferogramm ein Spektrum der atmosphärischen Strahlung, d. h.
die Intensität als Funktion der Wellenlänge berechnet.
• Mit Hilfe des GPS (Global Positioning System) kann man den Gesamtwas-
sergehalt der Atmosphäre bestimmen. Dabei kann die Position des Nutzers
theoretisch bis auf wenige Millimeter genau bestimmt werden, jedoch wird
diese Güte durch die ungleichmäßige Zusammensetzung der Atmosphäre
nicht erreicht. Vor allem die Luftfeuchtigkeit verursacht Abweichungen.
Diese Abweichungen kann man Nutzen um daraus den Gesamtwasserge-
halt auf der Strecke GPS-Nutzer - Satellit zu messen.
3.3 Messnetze
World Weather Watch (WWW) ist das größte Beobachtungsnetz der Erde:
• 10000 bemannte oder automatische Boden-Landstationen
• 7000 Handelsschiffe setzen während ihrer Fahrt auf den Ozeanen regelmä-
ßig Schiffswettermeldungen ab
• 3000 kommerzielle Flugzeuge erstellen während ihres Fluges Wetterinfor-
mationen
• Etwa 1000 Radiosondenstationen weltweit
• Mehr als 1000 im Ozean driftende Bojen, die ihre Meldungen via Satellit
absetzen
• Über 500 Wetterradarstationen für Niederschlagsbeobachtung
• Geostationäre und polumlaufende Satelliten
Die Datenflut wird von 3 Weltzentren (Washington, Moskau, Melbourne) sowie
etwa 25 Regionalzentren (Offenbach,...) über das GTS (Global Telecommunica-
tion System) und das Internet verteilt und aufbereitet. Innerhalb von wenigen
Minuten ist es möglich von jeder Station der Erde die gewünschte Meldung zu
erhalten
3.4 Auswertung der Daten - Archivierung - Klimadiagram-
me
Alle gewonnenen Daten werden vom DWD einer Qualitätsprüfung unterzogen
und in der Datenbank gespeichert. Dabei wird in einem ersten Schritt geprüft
12ob die Daten vollständig sind und die nötigen Grenzwerte einhalten ( z.B. Ob
die Temperatur in einem vernünftigen Bereich liegt). Einmal täglich werden die
Daten (z.B. Einer Wetterstation) mit anderen Daten (Wetterradar, Wettersatel-
lit,...) der selben Region verglichen, um die Daten zu bestätigen oder einzelne
Werte gegebenenfalls zu löschen. Derselbe Prüflauf wird auch mit den Daten
eines Monats durchgeführt.
Aus den Temperatur und Niederschlagswerten eines Jahres werden Klima-
diagramme berechnet. Dabei berechnet man Tages- Monats- und Jahresmittel-
werte um Veränderungen im Klima zu erkennen. Bei der Temperatur verwendet
man eine besondere Mittelwertbildung um die fehlende Nachtmessung zu kom-
pensieren.
T7 + T14 + 2T21
TM ittel =
4
Abbildung 11: Klimadiagramm von Regensburg
3.5 Wetterkarten
Die gemessenen Wetterdaten (Temperatur, Luftdruck, Windstärke, Windrich-
tung,...) werden in Wetterkarten eingezeichnet. Bodenwetterkarten beziehen
ihre Daten hauptsächlich aus Wetterstationen. Höhenwetterkarten entstehen
hauptsächlich durch Wetterballonmessungen, Wetterradar und Wettersatelliten.
Aktuelle Wetterkarten werden für Wettervorhersagen verwendet.
4 Wettervorhersagen und deren Probleme
4.1 Numerische Wettervorhersage
Die Grundlage jeder Aussage über die Wetterentwicklung in den nächsten Stun-
den oder Tagen ist die Diagnose des dreidimensionalen atmosphärischen Zu-
stands zum Ausgangszeitpunkt. (Boden- und Höhenwetterkarten, Radar und
Satellitendaten). Ausgehend von dem atmosphärischen Zustand zu einem An-
fangszeitpunkt wird der Zustand zu einem späteren Zeitpunkt berechnet. Dabei
werden die Gleichungen, die das Wettergeschehen beschreiben (Hydrodynamik
und Thermodynamik) numerisch gelöst.
137 Größen werden bei der numerischen Wettervorhersage verwendet um den Zu-
stand der Atmosphäre zu beschreiben (3 Windkomponenten u,v,w [m/s] , Dichte
ρ [kg/m3 ], Temperatur T [K], Luftdruck p[mbar], (Bei feuchter Luft die spezi-
fische Feuchte q)).
Die Wettervorhersage ist ein Anfangswertproblem, dass in drei Schritten
gelöst wird:
1. Bestimmung des aktuellen Zustands der Atmosphäre (Analyse)
2. Simulation der wahrscheinlichen Entwicklung des Zustandes durch nume-
rische Integration der physikalischen Grundgleichungen (Modell)
3. Analyse der Modellergebnisse für den Nutzer (Ergebnis)
4.2 Probleme bei der Wettervorhersage
Auch bei perfekten Prognosemodellen gibt es Fehler auf Grund von mangeln-
der Kenntnis des Anfangszustands der Atmosphäre. Zum einen sind die Was-
seroberflächentemperatur aller Ozeane sowie die Meereisbedeckung nicht mit
hinreichender Genauigkeit bekannt. Zum anderen haben die Wetterfachleute
nur mangelnde Informationen zum weltweiten Erdbodenzustand (Vegetation,
Feuchte). Diese ganzen Parameter sind aber sehr wichtig für die Modellbildung
in der numerischen Wettervorhersage.
Außerdem gibt es relativ wenige Windmessungen, so dass das Windfeld aus dem
Druckfeld näherungsweise berechnet werden muss. Des Weiteren gibt es große
Fehler bei der Messung von Niederschlag und Verdunstung an der Erdoberfläche
(Regenmesser ungenau wegen Spritzer, Windfehler, Verdunstungsfehler). Auch
beim Wetterradar gibt es häufig Fehlmessungen. Es kann z.B. ein schwacher
Niederschlag gemessen werden, der in der Luft schon wieder verdunstet und
somit den Erdboden gar nicht erreicht. Ganz feiner Niederschlag (Sprühregen)
reflektiert nur einen geringen Teil der Radarstrahlung der manchmal gar nicht
detektiert wird.
Einige Beobachtungen haben eine Unsicherheit hinsichtlich ihrer raum-zeitlichen
Repräsentativität. Darunter versteht man, dass es wegen der sich meist tur-
bulent abspielenden Wettervorgänge kaum möglich ist "typische", ungestörte
Messdaten zu bekommen. (z.B. Einfluss von Städten auf Temperatur, Wind).
Es gibt kaum Daten über die vertikale Windgeschwindigkeit, welche ungefähr
um einen Faktor 1000 geringer ist als die horizontale Komponente (nur wenige
Forschungseinrichtungen messen die senkrechte Windkomponente der aller un-
tersten Luftschicht mit dreidimensionalen Windmessern). Darum ist man dazu
gezwungen in der Modellrechnung die hydrostatische Näherung zu verwenden.
In dieser Näherung legen die horizontalen Windkomponenten und der Luftdruck
die senkrechte Windkomponente fest.
4.3 Instabilität im Wettergeschehen
Stabil wird ein Zustand genannt, bei dem Änderungen zwar auftreten, am
Grundzustand aber nichts Wesentliches ändern. (lineares Wirkungsprinzip: klei-
ne Ursache → kleine Wirkung). Instabilität liegt dann vor, wenn (sogar sehr
kleine) Änderungen eine Rückkehr zum vorangegangenen Zustand verhindern.
14Das Wetter verhält sich teilweise instabil. Kleinräumige Störungen sind in der
Lage immer größere Maßstabsbereiche zu infizieren. Es kann also z.B. eine Luft-
verwirbelung eines Autos ein Tiefdruckgebiet beeinflussen. Kleine unwesentliche
Änderungen haben unter Umständen katastrophale Auswirkungen. Das macht
es unter anderem so schwer das Wetter vorher zusagen.
→ Der maximal erreichbare Vorhersagezeitraum für eine numerische Wettervor-
hersage beträgt ca. 2 Wochen.
4.4 Nowcasting (0h-2h) - Synoptische Meteorologie
Bei dieser Art der Vorhersaage bekommt der Wetterberater sämtliche erreichba-
ren Wetterinformationen um daraus eine Vorhersage zu erstellen. Dabei extrapo-
liert er die horizontalen und vertikalen Verlagerungen und schätzt die Intensität
bereits vorhandener oder gerade entstehender Wettersysteme (Schauer, Gewit-
ter, Schneefall) ab. Er muss das gesamte Wettergeschehen der letzten Stun-
den anhand von Radar- und Satellitenbildern nachvollziehen können. Außerdem
muss er die klimatischen Besonderheiten eines Ortes oder einer Region kennen
und in seine Prognose einbeziehen. Die quantitative Niederschlagsvorhersage ist
besonders schwierig durch die kurze Lebensdauer der Niederschlagsereignisse.
4.5 Kurzfristvorhersage (12-27h)
Dazu verwendet der Meteorologe numerische Vorhersagekarten für Boden- und
Höhenwetter. Die Aufgabe des Meteorologen besteht darin aus den großflächigen
Feldern, z.B. des Luftdrucks, der Windverteilung und der Temperatur das zu
erwartende lokale und regionale Wettergeschehen zu erkennen.
4.6 mittelfristige Wettervorhersagen (72h bis 10d)
Wichtigste Information sind die numerischen Vorhersagekarten. Das europäische
Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen (EZMW) mit Sitz in Reading ist
weltweit führend im Bereich mittelfristiger numerischer Wettervorhersagen.
4.7 Langfristvorhersagen (ab 10d)
Wichtigstes Hilfsmittel ist die meteorologische Statistik, also Zusammenhänge
zwischen der großräumigen Zirkulation und den lokalen Witterungserscheinun-
gen. Der Meteorologe versucht gleiche oder ähnliche zurückliegende Wetterlagen
zu finden um daraus das zukünftige Wetter zu bestimmen. Die Ergebnisse sind
deutlich ungenauer als mittelfristige Vorhersagen. Es können z.B. Aussagen über
die zu erwartende Abweichung von der Monatsmitteltemperatur, oder die An-
zahl der Frosttage in einem Monat getroffen werden. Solche Aussagen sind für
Tourismus, Bauindustrie oder Heizkraftwerke sehr interessant.
4.8 Prognoseprüfung
Je nach Ausgangswetterlage fällt es unterschiedlich schwer das Wetter vorher-
zusagen. Darum haben Wettervorhersagen immer eine unterschiedliche Eintreff-
genauigkeit.
15Abbildung 12: Ensemble Vorhersage für Potsdam
Man benutzt die Ensemblevorhersage um die Genauigkeit einer Prognose ab-
zuschätzen. Dabei lässt man die numerische Wettervorhersage mit vielen leicht
veränderten Anfangsbedingungen durchlaufen. Der Mittelwert aller Lösungen
ist am wahrscheinlichsten.
Die Ergebnisse laufen stark auseinander → geringe Prognosegenauigkeit.
Die Ergebnisse liegen zusammen → hohe Prognosegenauigkeit.
4.9 Statistische Güteabschätzung
Um die Güte einer Prognose im Nachhinein abzuschätzen, werden statistische
Gütemaße verwendet:
P
|∆xi |
systematische F ehler :
N
rP
(∆xi )2
mittlerer quadratischer F ehler :
N
mit ∆xi = eingetrof f ener W ert − vorhergesagter W ert
Der systematische Fehler zeigt dabei an, ob die Vorhersagen im Mittel zu hoch
oder zu niedrig waren. Bei ständig zu hohen oder zu niedrigen Werten, kann
man im Prognose-Modell einen Korrekturfaktor einfügen. Die Prognosefehler
∆x lassen sich mit der Normalverteilung N (µ, σ) beschreiben. Dabei ist µ der
systematische Fehler und σ der mittlere quadratische Fehler.
Abbildung 13: Normalverteilung
164.10 Ausblick
Eine Prognose für die kommende Woche ist Heute ungefähr so zuverlässig, wie
sie es vor dreißig Jahren für den nächsten Tag war. Die 24-Stunden-Vorhersage
erreicht eine Eintreffgenauigkeit von gut neunzig Prozent. Es ist davon auszuge-
hen, dass diese Entwicklung weitergehen wird. Fortschritte im Bereich der Da-
tenerfassung (Wettersatelliten, Wetterradar,...) führen zu immer zahlreicheren
und hochwertigeren Meßwerten. Fortschritte im Bereich der Computertechno-
logie führen zu immer schnelleren und genaueren Prognosen. Außerdem werden
die Wettervorhersagemodelle ständig verbessert.
17Quellenangabe:
• Wettervorhersage von Konrad Balzer, Wolfgang Enke und Werner Wehry
• Horst Malberg: Meteorologie und Klimakunde. Eine Einführung
• http://www.dwd.de/
• http://www.wikipedia.de/
• http://www.dmg-ev.de/gesellschaft/publikationen/pdf/promet/31_2-4.pdf
• http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de/dkt/praesentationen/behrens.pdf
• http://www.berlinonline.de/berliner-zeitung/archiv/.bin/dump.fcgi/1997/0813/wissenschaft/0010/ind
• http://www.bsc-hamburg.de/static/docs/hochsee/wetter_2008.pdf
18Sie können auch lesen
