Das Wetter: schön aber kompliziert Wettervorhersage von damals bis Heute. Reto Stauffer

Transkript

1 Das Wetter: schön aber kompliziert Wettervorhersage von damals bis Heute Reto Stauffer

2 Das Wetter: schön aber kompliziert Was steckt eigentlich hinter einer falschen Vorhersage

3 Geschichte der Meteorologie Aristoteles (ca. 350 v.chr.) Wetter: durch Bewegung der Sterne und Planeten

4 Geschichte der Meteorologie Aristoteles (ca. 350 v.chr.) Wetter: durch Bewegung der Sterne und Planeten Bis ca Wettervorhersage aus Beobachtungen des Himmels (Bauernregeln)

5 Geschichte der Meteorologie Aristoteles (ca. 350 v.chr.) Wetter: durch Bewegung der Sterne und Planeten Bis ca Wettervorhersage aus Beobachtungen des Himmels (Bauernregeln) Erste physikalische Idee Dynamik der Atmosphäre (Bjerknes, 1900). Einziges Problem: er konnte seine Gleichungen nicht lösen

6 Geschichte der Meteorologie 1. Weltkrieg Wettervorhersage durch numerische Prozesse (Richardson)

7 Geschichte der Meteorologie 1. Weltkrieg Wettervorhersage durch numerische Prozesse (Richardson). lösste das Problem von Bjerknes

8 Geschichte der Meteorologie 1. Weltkrieg Wettervorhersage durch numerische Prozesse (Richardson). lösste das Problem von Bjerknes erste 6h-Vorhersage (benötigte ca. 6 Wochen)

9 Geschichte der Meteorologie 1. Weltkrieg Wettervorhersage durch numerische Prozesse (Richardson). lösste das Problem von Bjerknes erste 6h-Vorhersage (benötigte ca. 6 Wochen) seine Hochrechnung: computer wären nötig um mit dem Wetter Schritt zu halten

10 Geschichte der Meteorologie 1. Weltkrieg Wettervorhersage durch numerische Prozesse (Richardson). lösste das Problem von Bjerknes erste 6h-Vorhersage (benötigte ca. 6 Wochen) seine Hochrechnung: computer wären nötig um mit dem Wetter Schritt zu halten Erfindung des Computers (von Neumann) 1946: ENIAC; 24 h für eine 24-h-Vorhersage

11 Geschichte der Meteorologie 1. Weltkrieg Wettervorhersage durch numerische Prozesse (Richardson). lösste das Problem von Bjerknes erste 6h-Vorhersage (benötigte ca. 6 Wochen) seine Hochrechnung: computer wären nötig um mit dem Wetter Schritt zu halten Erfindung des Computers (von Neumann) 1946: ENIAC; 24 h für eine 24-h-Vorhersage 1955: EDVAC; tägliche Vorhersagen (USAF)

12 Geschichte der Meteorologie

13 Heute

14 Heute

15 Numerische Wettervorhersage Funktionsprinzip Anfangszustand Analyse Schritt 1: Analyse (ist-zustand)

16 Numerische Wettervorhersage Funktionsprinzip Anfangszustand Analyse Schritt 1: Analyse (ist-zustand)

17 Numerische Wettervorhersage Funktionsprinzip Anfangszustand Analyse Zeit Schritt 1: Analyse (ist-zustand) Schritt 2: Prognose

18 Numerische Wettervorhersage Funktionsprinzip Anfangszustand Analyse Zeit Niederschlagsmenge Schritt 1: Analyse (ist-zustand) Schritt 2: Prognose

19 Numerische Wettervorhersage Navier-Stokes ( v ) ρ t + (v )v Massenerhaltung Impulserhaltung = p + µ v + (λ + 1 µ) ( v) + f 3 ρ t + m = 0 m + (vm) = (S pi) + ρg t

20 Numerische Wettervorhersage Einziges Problem es existiert keine exakte Lösung zählt zu den 7 Millenium-Problemen. Preisgeld: 1 Million US-Dollar

21 Numerische Wettervorhersage Einziges Problem es existiert keine exakte Lösung zählt zu den 7 Millenium-Problemen. Preisgeld: 1 Million US-Dollar. Ausweg über Näherungsverfahren Vereinfachung der Natur

22 Numerische Wettervorhersage Real Topography IBK

23 Numerische Wettervorhersage Real Topography Model Topography IBK IBK

24 Numerische Wettervorhersage Real Topography Model Topography IBK IBK Klimamodelle: km Globalmodelle: 18 50km Lokalmodelle: 1 10km Forschung: bis 2m

25 Numerische Wettervorhersage

26 Major steps The improvements in the representation of unresolved processes in global models, the advent of ensemble methods producing forecast Numerische Wettervorhersage limiting predictive skill. In the first quantitative estimates of in while Lorenz 23 formulated th Non-orographic wave drag Long-wave radiation Short-wave radiation O 3 chemistry CH 4 oxidation Figur weath resolv repre contr mass, Cloud Cloud Subgrid-scale orographic drag Deep convectionn Shallow convection Turbulent diffusion Wind waves Ocean model Long-wave flux Latent Short-wave heat flux flux Sensible heat flux Surface 48 NATURE VOL SEPTEMBER 2015 G2015 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved

27 Fehlerquellen Manchmal passt die Wettervorhersage nicht perfekt. Was sind mögliche Fehler?

28 Fehlerquellen Manchmal passt die Wettervorhersage nicht perfekt. Was sind mögliche Fehler? zu wenig oder zu ungenaue Beobachtungen Fehler in der Analyse Vereinfachung der Natur unbekannte Prozesse in der Atmosphäre numerische/mathematische Approximation Rundungsfehler beim Berechnen

29 Fehlerquellen Manchmal passt die Wettervorhersage nicht perfekt. Was sind mögliche Fehler? zu wenig oder zu ungenaue Beobachtungen Fehler in der Analyse Vereinfachung der Natur unbekannte Prozesse in der Atmosphäre numerische/mathematische Approximation Rundungsfehler beim Berechnen... die Atmosphäre selbst ist ein chaotisches System

30 Chaos-Theorie Chaos-Theorie (Lorenz 1963), bekannt geworden als der Schmetterlings-Effekt

31 Chaos-Theorie Chaos-Theorie (Lorenz 1963), bekannt geworden als der Schmetterlings-Effekt

32 Numerische Wettervorhersage Ensemble-Vorhersagen Unsicherheit im Anfangszustand Analyse

33 Numerische Wettervorhersage Ensemble-Vorhersagen Unsicherheit im Anfangszustand Analyse Zeit

34 Numerische Wettervorhersage Ensemble-Vorhersagen Unsicherheit im Anfangszustand Analyse Zeit Vorhersageunsicherheit

35 Numerische Wettervorhersage Ensemble-Vorhersagen Unsicherheit im Anfangszustand Analyse Zeit Vorhersageunsicherheit Niederschlagswahrscheinlichekit %

36 Entwicklung Vorhersagegüte Improvements Anomalie-Korrelations-Koeffizient 500 hpa Geopotential, ECMWF.int

37 Danke für euere Aufmerksamkeit!

38 Quellenangaben Seite 3: Wikipedia ( Seite 4: Wikipedia ( ECMWF ( Seite 5: Atmosphärische Beobachtungen, Seite 5: Niederschlagsbeispiel: Bauer et al. (2015) Seite 7: ECMWF ( Seite 10: Parametrisierung: Bauer et al. (2015) Seite 12: Lorenz-Attraktor: Wikipedia ( Seite 13: Ensemble-Generierung: Bauer et al. (2015) Seite 14: Entwicklung der Vorhersagegüte: ECMWF ( Seite 18: Skalendiagramm: Fortak (1982): Meteorologie. 2 Auflage. ISBN Bauer, Thorpe, and Brunet (2015): The Quiet Revolution of Numerical Weather Prediction. Nature, 525, 47 55, doi:

39 Numerische Wettervorhersage Vorhersage für Innsbruck, Februar 2019 Niederschlag [mm/h; mm/3h] Temperatur [C] d +1d +2d +3d +4d +5d Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Montag Dienstag

40 Numerische Wettervorhersage Vorhersage für Innsbruck, Februar 2019 Temperatur [C] Niederschlag [mm/h; mm/3h] km/h +0d +1d +2d +3d +4d +5d Windböen [km/h] Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Montag Dienstag

41 Numerische Wettervorhersage Vorhersage für Innsbruck, Februar 2019 Temperatur [C] Niederschlag [mm/h; mm/3h] h +0d +1d +2d +3d +4d +5d Windböen [km/h] Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag

42 Numerische Wettervorhersage Vorhersage für Innsbruck, Februar 2019 Niederschlag [mm/h; mm/3h] Temperatur [C] d +1d +2d +3d +4d +5d Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Montag Dienstag

43 Numerische Wettervorhersage Vorhersage für Innsbruck, Februar 2019 Temperatur [C] km/h Niederschlag [mm/h; mm/3h] d +1d +2d +3d +4d +5d Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Montag Dienstag

44 Numerische Wettervorhersage Vorhersage für Innsbruck, Februar 2019 Temperatur [C] h Niederschlag [mm/h; mm/3h] d +1d +2d +3d +4d +5d Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag

45 Appendix

46 Skalen

47 Skalen

48 Skalen

49 Skalen

50 Die Wettervorhersage Radarbild: Blitzmessung: