Wie gut sind Wettervorhersagen?

Transkript

1 Wie gut sind Wettervorhersagen? Qualitätsprüfung beim DWD

2 Detailierte Prognosen und Warnungen Vorhersagen sind schwierig, besonders wenn sie die Zukunft betreffen. Mark Twain ( ), amerikanischer Schriftsteller Kaum etwas fasziniert uns mehr als die Zukunft. So überrascht es nicht, dass viele Menschen sich professionell mit ihr auseinandersetzen: Meinungsforscher verfassen Wahlprognosen, Wirtschaftswissenschaftler geben Konjunkturerwartungen heraus, Fondsmanager setzen auf die Entwicklung der Börsen. Doch keine Berufsgruppe ist im Alltag so präsent wie die Meteorologen mit ihren Wettervorhersagen. Allerdings gehen die gesetzlich geregelten Aufgaben des Deutschen Wetterdiensts (DWD) weit über die tägliche Wettervorhersage für uns Bürger hinaus. Er versorgt vor allem viele professionelle Nutzer mit speziell zugeschnittenen, detaillierten Prognosen und Unwetterwarnungen. Oft steht dabei die Sicherheit von Menschen und hohen Sachwerten auf dem Spiel. Oder es geht um wichtige wirtschaftliche Entscheidungen, etwa das richtige Wetter für die Ernte oder die Installation einer Bohrinsel in der sturmgefährdeten Nordsee. An den großen Flughäfen betreibt der Deutsche Wetterdienst eigene Flugwetterwarten, der Seewetterdienst geleitet Schiffe und Landwirte nutzen den Agrarwetterdienst. Auf Landkreisebene versorgt der Deutsche Wetterdienst Feuerwehr, Polizei und Technisches Hilfswerk mit möglichst präzisen Unwetterwarnungen. Unwetter spielen bei der Wettervorhersage eine zentrale Rolle, denn das Wetter verursacht in Deutschland rund achtzig Prozent aller Naturkatastrophen. Viele erinnern sich noch an das Drama der Sturmflut von Hamburg am 17. Februar Über 300 Menschen kamen damals um, fast ein Sechstel des Hamburger Stadtgebietes war überflutet. Dabei hatten die damaligen Meteorologen trotz ihrer noch sehr beschränkten technischen Möglichkeiten solide Arbeit geleistet: Bereits am Abend des 15. Februars brachte das Radio erste Sturmwarnungen. Heute wären in einem ähnlichen Fall wohl weitaus weniger Opfer zu beklagen. Die Qualität der Vorhersagen konnte in den letzten Jahren deutlich verbessert werden. Das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenvorsorge (BBK) und viele weitere Katastrophenschutzeinrichtungen arbeiten inzwischen Hand in Hand mit den Wetter- und Klimaexperten des Deutschen Wetterdienstes. So kann der Katastrophenschutz sich rechtzeitig vorbereiten und die örtlichen Behörden sind in der Lage erheblich schneller zu reagieren als Unterschiedliche Wettervorhersagen für unterschiedliche Nutzer - alle profitieren von der Arbeit des DWD. Geballte Technik für die Meteorologie Inzwischen steht den Wetterfröschen auch eine ungleich bessere Technik zur Verfügung. Über das weltweite Netz, das die nationalen Wetterdienste betreiben, erhalten die Meteorologen jederzeit hoch aktuelle Bilder und Messdaten. Diese kommen von Wettersatelliten, Wetterballons, Flugzeugen und Schiffen, Messbojen, Wetterradarstationen, Wetterwarten und automatischen Bodenstationen. Mit den Daten berechnen dann ausgefeilte Wettermodelle auf Supercomputern die Wetterentwicklung in den kommenden Stunden und Tagen. Der Deutsche Wetterdienst betreibt ein solches Computerzentrum in seiner Zentrale in Offenbach am Main. 2

3 Das Deutsche Meteorologische Rechenzentrum in Offenbach am Main Diese geballte Technik gibt den Meteorologen jederzeit einen präzisen Überblick über die globale Wetterküche, wovon die Kollegen in den 1960er-Jahren nur träumen konnten. Entsprechend zuverlässig sind die Wetterprognosen geworden. Welche gewaltigen Fortschritte der Meteorologie in den letzten Jahrzehnten gelangen, zeigt zum Beispiel die Vorhersage der Höchsttemperatur für den nächsten Tag. Ende der 1960er- Jahre lagen noch sechs Prozent der Prognosen um mehr als fünf Grad daneben. Dreißig Jahre später war diese Quote bereits auf 0,6 Prozent gesunken: Die Vorhersagen sind also zehnmal zuverlässiger geworden. Jedes Jahrzehnt treiben die Meteorologen die Vorhersagbarkeit des Wetters einen Tag weiter in die Zukunft hinein. Heute können die Wetterexperten die meisten meteorologischen Elemente, zum Beispiel Niederschlag oder Temperaturen zu verschiedenen Tageszeiten, über gut sieben bis zehn Tage hinweg vorhersagen. Aber was heißt vorhersagen denn nun genau? Mit solchen Fragen beschäftigt sich im Deutschen Wetterdienst in Offenbach ein Team von sechs Meteorologen: Es prüft ständig die Qualität der verschiedenen Vorhersageprodukte und liefert so Hinweise, wo etwas zu verbessern ist. Auf den ersten Blick scheint diese Verifikation, wie die Qualitätsprüfung wissenschaftlich heißt, eine einfache Sache zu sein. Die Meteorologen müssen nur die Vorhersagen rückwirkend analysieren und mit der tatsächlichen Entwicklung des Wetters zum betrachteten Zeitpunkt und am Gültigkeitsort der jeweiligen Vorhersage vergleichen. Ob allerdings die so gefundene Trefferquote auch eine meteorologische Leistung darstellt, ist gar nicht so einfach zu sagen. Allein schon die Ansprüche der Adressaten der Wetterberichte können sich enorm unterscheiden. Wir Normalbürger wollen zum Beispiel wissen, ob wir vielleicht doch besser einen Schirm mitnehmen sollten. Möbelhäuser wollen wissen, ob sie für den nächsten Samstag bei schlechtem Wetter mehr Personal einplanen müssen, weil dann erfahrungsgemäß mehr Kunden kommen. Landwirte wollen bei der Aussaat eine langfristig verlässliche Information darüber haben, wie feucht oder trocken die kommenden Wochen werden. Die Feuerwehr dagegen will wissen, ob innerhalb der nächsten Stunde in ihrem Landkreis mit einem schweren Unwetter zu rechnen ist. Japan und die Kirschblüte In manchen Kulturen stehen die staatlichen Wetterdienste vor ganz speziellen Herausforderungen. In Japan müssen die Meteorologen für jede Region auf den Tag genau vorhersagen, wann die Knospen der Kirschblüten sich öffnen werden. Das Kirschblütenfest ist für die Japaner ein großes Ereignis: Für diesen Tag planen viele Veranstalter Feste und Reisen, und die begehrtesten Picknick-Plätze sind sofort ausgebucht, sobald der Termin der Kirschblüte angekündigt wurde. Entsprechend hoch ist der Erwartungsdruck auf die japanischen Wetterkundler. Meist gelingen ihnen Prognosen, die die anspruchsvollen Japaner zufrieden stellen machte ihnen jedoch ein Computerfehler einen dicken Strich durch die Rechnung: In einigen wichtigen Regionen, darunter Tokio, lagen sie mit ihrer Prognose zunächst um mehrere Tage daneben. Es folgten mehrere Korrekturen. Danach musste der zuständige Meteorologe im Fernsehen auftreten und sich vor der ganzen Nation durch tiefe Verbeugungen für seine Fehlvorhersage entschuldigen. 3

4 Wann sind Prognosen eigentlich gut? Ein naiver Meteorologe benutzt die Statistik wie ein Betrunkener Laternenpfähle eher zum Festhalten als zur Erleuchtung. Andrew Lang ( ), schottischer Schriftsteller Wie gut eine kurzfristige, mittelfristige oder langfristige Wettervorhersage ist, hängt also häufig auch vom Blickwinkel der Nutzer ab. Entsprechend unterschiedliche Maßstäbe müssen die Offenbacher Meteorologen bei ihrer Qualitätsprüfung anlegen. Die Maßstäbe selbst beruhen auf einer statistisch sinnvollen Auswertung von Treffern einerseits und Fehlschüssen andererseits. Statistiken können allerdings tückisch sein. Das musste John P. Finlay im Jahr 1884 erfahren. In mühevoller Kleinarbeit hatte der Sergeant der US-Armee 2803 Tornado-Vorhersagen für 18 Distrikte einiger US-Bundesstaaten analysiert. Er fand erfreut, dass die Prognosen in 28 Fällen korrekt einen Tornado angekündigt hatten, in 2680 Fällen genauso richtig kein Tornado. Also veröffentlichte Finlay stolz in einem meteorologischen Fachblatt, dass diese Vorhersagen sensationelle 97 Prozent Trefferquote hatten. Prompt hagelte es Kritik von Kollegen und Mathematikern aus aller Welt. Finlay hatte bei seiner Analysemethode die Fehlprognosen zu wenig gewichtet: Immerhin zog nach 72 Warnungen kein Tornado auf gravierender waren aber die 23 Fälle, in denen ein nicht vorhergesagter Tornado eine Spur der Verwüstung durch den Distrikt zog. Diese entscheidenden Fehlprognosen gingen bei Finlays Ansatz jedoch in der Masse der sturmfreien Tage unter: Tornados sind selbst in der amerikanischen Sturmsaison seltene Ereignisse. Ein Kritiker spitzte das so zu: Hätten die US-Meteorologen stur für jeden Tag kein Tornado vorhergesagt, dann hätten sie nach Finlays Formel eine unglaubliche Trefferquote von 98,2 % gelandet. Obwohl eine solche Vorhersagemethode keinerlei meteorologische Kompentenz voraussetzt, wäre sie also unglaublich erfolgreich. Nur würde sie den von den Tornados gefährdeten Gebieten nichts nutzen, denn sie blendet seltene, aber entscheidende Sturmereignisse einfach aus. Das zeigt, dass Finlays statistische Methode keinerlei sinnvolle Aussage über die Qualität von Wettervorhersagen liefert. Schließlich erwarten wir von unseren Meteorologen heute zurecht, dass sie das Aufziehen eines gefährlichen Sturms möglichst zuverlässig erkennen. Die Experten des Deutschen Wetterdienstes kennen natürlich solche Fallstricke der Statistik genau. Für ihre Qualitätsprüfung verwenden sie heute einen viel ausgefeilteren statistischen Werkzeugkasten als Finlay. Im Prinzip sind es zwei Sorten Werkzeuge, die hier nachfolgend vorgestellt werden. Eine Sorte misst, wie weit die Prognose daneben lag, also den Abweichungsfehler. Anwendungsgebiet ist die Prognose von Wetterelementen wie zum Beispiel die Höhe des Niederschlags, die Temperatur zu verschiedenen Tageszeiten oder die Windgeschwindigkeit. Die andere Werkzeugsorte dient zur Prüfung sog. Alternativ-Vorhersagen, beispielsweise kam der Tornado oder nicht, gab es Regen oder nicht oder zog ein Gewitter auf oder nicht. Meteorologen versuchen vor allem seltene, aber gefährliche Wetterereignisse möglichst zuverlässig vorherzusagen. 4

5 Auf die Genauigkeit kommt es an Statistik ist die einzige Wissenschaft, die es verschiedenen Experten ermöglicht, aus denselben Zahlen unterschiedliche Schlüsse zu ziehen. Evan Esar ( ), amerikanischer Humorist Schauen wir uns die erste Sorte Werkzeug an. Das Maß für die Güte einer Wetterprognose ist zunächst reine Definitionssache: Die Meteorologen müssen definieren wie groß die Abweichung einer Vorhersage gegenüber dem tatsächlichen Wetter sein darf. Bei dieser Entscheidung müssen sie allerdings auch die unterschiedlichen Erwartungen der Nutzer an die Vorhersageprodukte einbeziehen, also zum Beispiel von uns Normalverbrauchern oder Profis wie Piloten oder Landwirte. Russische Meteorologen bekamen zu spüren, dass die Nutzersicht eine beachtliche Macht entfalten kann. Im Februar 2005 schneite es in Moskau ungewöhnlich stark, so dass die überforderten Schneeräumdienste in manchen Stadtvierteln einige Tage brauchten, den Verkehrsfluss wieder in Gang zu bringen. Obwohl die Meteorologen das Wetter richtig vorhergesagt hatten, traf sie der geballte Zorn des Moskauer Bürgermeisters Juri Luschkow. Seitdem müssen die Wetterämter der Region bei Fehlprognosen damit rechnen, dass die Stadt Moskau sie für etwaige Folgekosten zur Kasse bittet. Die Definition der Güte einer Wetterprognose hängt aber auch vom einzelnen Wetterelement ab, etwa der Temperatur oder dem Niederschlag. Zudem hat sie sich im Lauf der Zeit geändert. Schon vor rund 100 Jahren verwies die Hamburger Seewetterwarte stolz auf eine Trefferquote von über 80 Prozent. Demnach hätte die Meteorologie bis heute kaum Fortschritte gemacht, würde man diese Zahl naiv mit heutigen Trefferquoten vergleichen. Natürlich liegt diese scheinbare Stagnation nur an dem wesentlich toleranteren Fehlermaßstab, den die damaligen Hamburger Meteorologen in Kenntnis ihrer Fähigkeiten anlegten. Sie stuften Abweichungen noch als gut ein, die für die moderne Meteorologie glatte Fehlprognosen wären. Für den Abweichungsfehler verwenden Meteorologen heute gerne ein Maß, das die etwas sperrige Abkürzung rsme trägt. Das steht für den englischen Begriff Root Mean Square Error, auf deutsch Wurzel aus dem mittleren Fehlerquadrat. Keine Sorge: Hinter dem abschreckenden Namen verbirgt sich ein Sachverhalt, der einfach zu verstehen ist. Zum Beispiel kann eine vorhergesagte Temperatur zum einen oberhalb, das nächste mal aber unterhalb der tatsächlich gemessenen Temperatur liegen. Würde man nun beide Abweichungen mal mit Plus, mal mit Minus als Vorzeichen einfach aufaddieren, so würden sie sich gegenseitig aufheben zumindest zum Teil. Ihre Summe würde folglich einen viel zu kleinen Gesamtfehler liefern, der keinen Aussagewert hätte: Schließlich können sich bei dieser naiven Methode große Abweichungen nach oben oder nach unten gegenseitig weitgehend neutralisieren. Das Quadrieren und nachträgliche Wurzelziehen jedoch verwandelt jede einzelne Abweichung zuerst in eine positive Zahl. Damit haben alle Abweichungen nun das gleiche Vorzeichen und addieren sich ohne gegenseitiges Auslöschen auf. Ihre Summe liefert nun eine realistische Fehlergröße. 5

6 Von der Theorie zur Praxis Genug der Theorie, schauen wir uns die meteorologische Praxis an: Wie gut treffen Wettervorhersagen heute ein? Grundsätzlich liegt es auf der Hand, dass eine Prognose um so ungenauer ist, je weiter sie in die Zukunft vorgreift: Wenn die Distanz zur Zielscheibe wächst, wird es immer schwieriger, ins Schwarze zu treffen. Das lässt sich am Beispiel der Vorhersage von Tagesmitteltemperaturen schön sehen. Zweitägige Vorhersagen der Tagesmitteltemperatur liegen heute im Schnitt bis zu etwa 1,3 Grad daneben, ihr Fehler steigt bis zur sechstägigen Prognose auf knapp 2,5 Grad an. Grundsätzlich gilt bei der Temperatur eine Vorhersage, die genauer als 2,5 Grad ist, für hiesige Klimaverhältnisse als gut. Ist die Abweichung größer als 4,5 Grad wird dies als grober Fehler gewertet. Fehler rmse in Grad 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 Tagesmitteltemperatur Temperatur (Grad Kelvin) Windgeschwindigkeit (Meter/Sekunde) Windrichtung (Winkelgrad) Bedeckungsgrad (Achtel) gute Vorhersage grober Fehler < 2,5 > 4,5 < 2,5 > 4, ,5 4 1,6 1,4 1,2 1, Tage im Voraus 01/08-12/08 Die Vorhersage der Tagesmitteltemperatur für ausgewählte Stationen durch eines der derzeit besten Computer-Wettermodelle der Welt zeigt: Prognosen werden umso ungenauer, je weiter sie in die Zukunft vorgreifen. Die Daten basieren auf der Auswertung des Jahres Meteorologisches Messfeld 6

7 Die Qualität von Wettervorhersagen schwankt im Lauf eines Jahres. Im Sommer sind die Wetterverhältnisse stabiler als im Winter, entsprechend zuverlässiger sind die Prognosen. Nur die Vorhersage kleinräumiger Gewitterzellen bereitet den Meteorologen im Sommer gelegentlich Kopfzerbrechen, denn diese rutschen gerne durch das Gitterraster der Computermodelle. Besonders schwierig können auch Vorhersagen in den Übergangsjahreszeiten sein, zum Beispiel beim typischen, wechselhaften Aprilwetter. Insgesamt wurden die Prognosen in den letzten Jahren jedoch immer besser. Das zeigt sehr schön das Beispiel der kurzfristigen, also bis zu zweitägigen Vorhersage der Tageshöchstemperatur zwischen 1984 bis 2008: In diesem Zeitraum sank im Jahresmittel der Prognosefehler von etwa 2,5 Grad auf etwa 1,6 Grad - eine beachtliche Verbesserung. Fehler rmse in Grad Tageshöchsttemperatur 3,2 2,9 2,6 2,3 2,0 1,7 1,4 1, Jahr Der Prognosefehler der ein- bis zweitägigen Kurzfristvorhersage der Tageshöchsttemperatur sank in den vergangenen zwei Jahrzehnten. Das bedeutet, dass die Vorhersagen deutlich besser geworden sind. Die dünne Kurve zeichnet mit ihren Ausschlägen den Jahresgang nach: Im Winter sind die Prognosen etwas ungenauer als im Sommer. Die fette Kurve mittelt das heraus. Wann leistet man gute Arbeit? Ein Ökonom ist ein Experte, der morgen wissen wird, warum das, was er gestern vorhergesagt hat, heute nicht passierte. Evan Esar ( ), amerikanischer Humorist Der rsme-fehler liefert also ein Maß für die Genauigkeit der untersuchten Wetterprognosen. Allerdings sagt eine zutreffende Vorhersage nicht unbedingt etwas darüber aus, ob dahinter auch eine gute meteorologische Leistung steckt. In den Tropen zum Beispiel ist das Klima so gleichmäßig, dass ein Vorhersagefehler von drei Grad für die Höchsttemperatur des nächsten Tages eine ziemlich schlechte Leistung wäre. Der gleiche Vorhersagefehler kann in unseren Breiten dagegen eine hervorragende Leistung sein, denn gerade in den Übergangsjahreszeiten Frühling ( Aprilwetter ) und Herbst kann der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht schnell mehr als 20 Grad betragen. Bei der Beurteilung kommt es also auf den Vergleichsmaßstab an genau wie an der Börse: Schlägt ein Fonds die Entwicklung eines Indexes, etwa den Dax, dann hat der Fondsmanager eine Leistung erbracht andernfalls nicht. Für die Beurteilung der Leistung einer Wettervorhersage gibt es zwei geeignete Vergleichsvorhersagen, die gewissermaßen kostenlos zur Verfügung stehen. Diese muss der Deutsche Wetterdienst schlagen, anderfalls wäre er das Geld der Steuerzahler nicht wert. Doch er ist es, wie gerade ein Vergleich mit diesen beiden Maßstäben zeigt. Der Vergleichsmaßstab für kurzfristige, also ein- bis zweitägige Wettervorhersagen, ist die natürliche Erhaltungsneigung der Atmosphäre. Diese wird Persistenz genannt. Die Erhaltungsneigung besagt, dass das Wetter morgen genau so sein wird wie es heute war. Ist die Wetterlage stabil, trifft dies auch recht gut zu. Für langfristige Wettervorhersagen bis zu acht Tagen bietet dagegen das jahreszeitliche Klima den Vergleichsmaßstab. Diese Klimavorhersage liefert eine Prognose auf Basis der Annahme, dass das Wetter ebenso sein wird wie der mittlere Zustand in früheren Jahren zu dieser Jahreszeit. 7

8 Eine traditionelle Form von Vorhersagen, die auf Wetterbeobachtungen über viele Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte basiert, sind die bäuerlichen Wetterregeln, kurz die Bauernregeln. Manche von ihnen fassen jahrhundertelange Wetterbeobachtungen unserer Vorfahren recht zuverlässig zusammen. Dazu gehört die berühmte Regel Regnet s am Siebenschläfertag, es sieben Wochen regnen mag. Wortwörtlich nehmen sollte man die Sieben-Wochen-Regel allerdings nicht. Bei den meisten Wetterelementen können die Meteorologen heutzutage mit ihren computergestützten Prognosen die Klimavorhersagen bis zu einem Zeitraum von sieben bis zehn Tagen im Voraus schlagen. Das bedeutet andererseits natürlich auch, dass moderne Wettervorhersagen allen Bauernregeln an Präzision weit überlegen sind. Die Zeitspanne der Vorhersagbarkeit einzelner Elemente ist in jedem Jahr unterschiedlich. Das Jahr 2004 beispielsweise war völlig durchschnittlich. Beim Niederschlag war man im Schnitt über 11,4 Tage besser als die Klimavorhersage. Niederschlag: JA/NEIN Windböen > 12 m/s: JA/NEIN Windrichtung tiefste Nachttemperatur höchste Tagestemperatur Wahrscheinlichkeit RR > 0 mm/d Sonnenscheindauer Wahrscheinlichkeit fx/d > 12 m/s Windgeschwindigkeit Zeitspanne der Vorhersagbarkeit ,4 10,8 10,8 9,8 8,6 8,4 7,5 7,5 7, Tage im Voraus Dieses Diagramm zeigt beispielhaft, welche Wetterelemente die Meteorologen des DWD im Jahr 2004 wie gut vorhersagen konnten: Bis zu dem jeweils angegebenen Tag waren sie besser als die Klimavorhersage ( das Wetter ist so wie meist zu dieser Jahreszeit ). Beim Niederschlag waren es über elf Tage. höchste Tagestemperatur tiefste Nachttemperatur Zeitspanne der Vorhersagbarkeit Winter 2006/07 Windrichtung Windböen > 12 m/s: JA/NEIN Niederschlag: JA/NEIN Sonnenscheindauer Wahrscheinlichkeit RR > 0 mm/d Windgeschwindigkeit Wahrscheinlichkeit fx/d > 12 m/s 20,6 18,9 15,0 13,7 10,6 8,7 8,7 7,6 6, Tage im Voraus Im Winter 2006 auf 2007 gelang es den DWD-Meteorologen bei einigen Wetterelementen, gegenüber der Klimavorhersage für fast drei Wochen im Voraus besser zu sein. Das lag an dem ungewöhnlich warmen Winter, denn bei extremer Witterung hilft der Blick auf die früher mal beobachteten Wetterbedingungen nicht. Im Winter von 2006 auf 2007 hatten die Meteorologen dagegen wesentlich länger die Nase vorne: Bei der Prognose der Tageshöchsttemperatur zum Beispiel konnten sie die Klimavorhersage sogar um rund drei Wochen im Voraus schlagen. Der Grund lag hier allerdings im Versagen der Klimavorhersagen, denn dieser Winter war ungewöhnlich warm. Gerade in Phasen mit außergewöhnlichen oder extremen Wettersituationen werden die Vorteile der modernen Wettervorhersagemodelle besonders deutlich. Die Meteorologen wollen bei ihrer Qualitätsprüfung natürlich immer auch erkennen, ob eine Vorhersage eine echte meteorologische Leistung war oder nicht. 8

9 Dazu haben sie ein anderes Gütemaß entwickelt, die Reduktion der Fehlervarianz (RV). Einfach gesagt, verbindet RV den Prognosefehler rmse sinnvoll mit demjenigen der kostenlosen Vergleichsprognose, für die man keinen menschlichen Wetterfrosch zu bezahlen bräuchte. Das ist bei Kurzfristvorhersagen eben die Persistenz und bei längerfristigen Vorhersagen die Klimavorhersage. Der RV würde bei einer völlig fehlerfreien Wettervorhersage 100 Prozent betragen. Auf null Prozent fällt der RV dagegen ab, sobald die Meteorologen der Klimaprognose unterlegen sind. Die Offenbacher Qualitätssicherer können mit Hilfe des RV zeigen, dass zum Beispiel die Güte der Mittelfrist-Vorhersagen, also der Vorhersagen für zwei bis sieben Tage, erheblich zugenommen hat. Dazu analysierten sie alle Zwei- bis Siebentagesprognosen von 1993 bis Dann kombinierten sie die Daten für verschiedene Wetterelemente miteinander, darunter Temperatur, Niederschlag, Wind und relative Sonnenscheindauer. Das Resultat ist bemerkenswert. RV relativ zur Klimaprognose in % Mittelfristtrend Jahr In den vergangenen 16 Jahren wurden die mittelfristigen Wettervorhersagen, also für zwei bis sieben Tage im Voraus, erheblich besser. Dies zeigt die ansteigende Kurve der Güte RV. Sie fasst verschiedene Wetterelemente zusammen: minimale und maximale Tagestemperatur, Sonnenscheindauer, Richtung und Geschwindigkeit des Windes, Niederschlagswahrscheinlichkeit und -menge lag die Güte der mittelfristigen Vorhersage noch bei 20 bis 25 Prozent, also relativ nahe an der Klimaprognose. Seitdem stieg die Güte auf über 40 Prozent. Im Winter erreichte sie sogar 50 Prozent, was aber wie schon erwähnt auch an dem zu warmen Wetter lag. Auf jeden Fall zeigt der Trend dieser Analyse, dass die mittelfristige Wettervorhersage in den vergangenen 16 Jahren erheblich an Qualität gewonnen hat. Dies wird auch von vielen Nutzern der DWD-Vorhersagen bestätigt. Für die Landwirtschaft, Groß- und Einzelhandel, Verkehr, Tourismus und viele andere sind heute insbesondere die mittelfristigen Vorhersagen unverzichtbare Entscheidungshilfen. 9

10 Ein ähnlich beeindruckendes Bild zeigt die Analyse der kurzfristigen Vorhersagen, also bis zu zwei Tage im Voraus. Referenz ist hier natürlich wieder die Erhaltungsneigung der Atmosphäre, die Persistenz. Die Güte RV der Kurzfristvorhersagen stieg im Laufe der Jahre von beachtlichen 55 Prozent im Jahr 1992 auf über 70 Prozent im Jahr 2008! Die Spannweite des Fehlers, den die verschiedenen regionalen Vorhersagezentralen des Deutschen Wetterdiensts in Hamburg, Potsdam, Essen, Leipzig, Offenbach, Stuttgart und München dabei machten, sank in dieser Zeit von etwa 35 Prozent auf 15 Prozent ab. Die kurzfristige Wettervorhersage wurde also nicht nur erheblich besser, ihre Qualität ist auch für die verschiedenen Gebiete Deutschlands immer gleichmäßiger geworden. Kurzfristtrend RV relativ zur Persistenz in % Mittelwert Spannweite Jahr Auch die Güte RV der kurzfristigen Vorhersagen hat seit 1992 erheblich zugenommen. Die Unterschiede in der Qualität der Vorhersagen an den Regionalzentralen des Deutschen Wetterdiensts in den verschiedenen Bundesländern, dargestellt durch die Spannweite (Differenz zwischen den Team-Leistungen), haben dagegen deutlich abgenommen. Das heißt, dass die Vorhersagen des DWD heutzutage überall gleich gut sind. Kommt das Gewitter oder nicht? Das Unerwartete zu erwarten, verrät einen durch und durch modernen Geist. Oscar Wilde ( ), irischer Schriftsteller Am Morgen des 14. November 1854 stieg über der Stadt Inkerman auf der Krim die Sonne über tiefroten Wolken auf. Doch die friedliche Szene täuschte. Kurz darauf traf ein heftiger Sturm mit voller Wucht auf das alliierte Heer der Engländer, Franzosen und Türken, das seit Jahren gegen die Soldaten des russischen Zaren kämpfte. Alliierte Schiffe rissen sich im Kriegshafen los, manche wurden am Strand zertrümmert, andere schwer beschädigt. Über vierzig Schiffe verloren die Alliierten, die Franzosen sogar ein großes Schlachtschiff. Wären die Seeleute nur wenige Stunden zuvor gewarnt gewesen, hätten sie genug Zeit gehabt, um sich mit ihren Schiffen ins tiefere und damit sichere Wasser zu retten. Aus diesem Grund wandte sich danach der französische Kaiser Napoleon der III. an den Leiter der Pariser Sternwarte, Urbain Le Verrier: Er sollte eine internationale Organisation aufbauen, die rechtzeitig vor aufziehenden Stürmen warnen kann. Der berühmte Astronom, dessen Berechnungen zur Entdeckung des Planeten Neptun geführt hatten, stellte fest, dass es in Europa zwar schon viele Wetterwarten gab. Sie waren jedoch nicht miteinander vernetzt, wie man heute sagen würde. Le Verrier kam auf die geniale Idee, zum schnellen Austausch von Wetterdaten die gerade erfundene Telegrafie einzusetzen. 10

11 Nur ein Jahr später, 1855, stellte er sein Konzept vor und begründete damit den internationalen Wetterdienst. Bereits drei Jahre später ermöglichte das erste transatlantische Kabel sogar die Übertragung von Wettermeldungen zwischen Europa und den USA. Orkane, Starkniederschläge und schwere Gewitter, aber auch weniger dramatische Ereignisse, wie Nebel oder Bodenfrost, gehören zu den Wetterphänomenen, die gefährlich sein können. Die Meteorologen müssen vor allem richtig vorhersagen, ob die Ereignisse eintreten oder nicht. Ob sie mit ihren Ja-/ Nein-Prognosen Treffer gelandet haben, prüfen die Meteorologen heute mit einer anderen, zweiten Werkzeugsorte. Wie Finlay mit seinen Tornadoprognosen vergleichen sie auch heute zuerst Ort und Zeit, für die das untersuchte Wetterphänomen vorhergesagt wurde, mit den tatsächlich registrierten Wetterdaten. Dann werten sie diese Daten aus allerdings wesentlich professioneller als Finlay. Diese Qualitätskontrolle muss zudem die Art der Vorhersage berücksichtigen. Geht es nur um eher ungefährliche Wetterelemente wie den Niederschlag, dann können die Meteorologen es sich möglicherweise leisten, auch mal daneben zu liegen. Treffen sie daneben, dann sind vielleicht manche der Bürger verärgert, die ohne Schirm von einem Schauer überrascht wurden, aber niemand kommt dabei wirklich zu Schaden. Warnung vor Unwetter Bei Warnungen vor Unwettern ist die Situation vollkommen anders. Hier müssen die Meteorologen berücksichtigen, dass es auch heute aus physikalischen Gründen keine absolut sichere Wetterprognose gibt. Eine nicht erfolgte Warnung vor einem schweren Gewitter kann fatale Folgen haben: Also müssen sie im Zweifelsfall eher ein wenig zu oft warnen, um möglichst alle schweren Unwetter zu erwischen. Gewitter sind besonders tückisch, weil sie im Sommer sehr plötzlich über sehr kleinen Gebieten auftreten können. Sie rutschen oft noch durch die Maschen der heutigen Wettermodelle und sind deshalb schwer vorhersagbar. Lediglich das Wetterradar kann sie recht genau orten, was die Güte der kurzfristigen Warnungen erheblich verbessert hat. Bei Unwetterwarnungen sind die Meteorologen des Deutschen Wetterdienstes in der gleichen Situation wie Ärzte, die Krebsfrühdiagnosen stellen. Die Mediziner müssen bewusst zu oft Alarm schlagen und dabei in Kauf nehmen, dass sie Patienten zunächst unbegründet Sorgen bereiten. Nur durch diese bewußte und gewollte Überwarnung stehen die Chancen gut, dass bei den dadurch ausgelösten, nachfolgenden genauen Untersuchungen auch die tatsächlich im Frühstadium Erkrankten entdeckt werden. Natürlich sollte die Rate der Fehlalarme, die Falschalarmrate, trotzdem so niedrig wie vertretbar sein. Ähnliches gilt für die kurzfristigen Unwetterwarnungen des Deutschen Wetterdiensts. Eine zu starke Überwarnung, also zu viele Fehlalarme, würden sicherlich die Feuerwehrleute in den einzelnen Landkreisen irgendwann nur noch frustrieren, sie würden die Warnungen dann nicht mehr ernst nehmen. Auch die durch Fehlalarme unnötig entstehenden Kosten wären enorm. Die Trefferquote die Meteorologen sprechen hier lieber von Erkennungsrate ließe sich bei Gewitterwarnungen ganz einfach auf 100 Prozent steigern, nämlich durch permanentes Dauerwarnen. Der Preis wäre allerdings eine absurd hohe Rate von Fehlalarmen. Zudem wären die richtig erkannten Gewitter reine Zufallstreffer, für die es keinen meteorologischen Sachverstand braucht. Dieses überspitzte Beispiel zeigt: Wenn die Meteorologen die Qualität der Unwetterwarnungen richtig analysieren wollen, müssen sie die Erkennungsrate gegen die Falschalarmrate aufrechnen. Erst beides zusammen ergibt ein schlüssiges Bild. Um die Erkennungsrate richtig zu erfassen, haben die Meteorologen eine weitere Messgröße namens Heidke-Gütemaß entwickelt. Ihre Abkürzung HSS leitet sich vom englischen Heidke Skill Score ab. Dahinter steckt eine mathematische Formel, die zum Beispiel aus den richtig erkannten Vorhersagen diejenigen herausrechnet, die reine Zufallstreffer sind. Dadurch liefert HSS auch bei seltenen Wetterphänomenen ein klares Bild über die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Prognosen anders als die Tornado-Analysen des John Finlay. 11

12 Wie gut sind Ja-/Nein-Prognosen? Falls du vorhersagen musst, sage oft vorher! Edgar R. Fiedler ( ), amerikanischer Ökonom Die Analyse der vergangenen Jahre zeigt, dass die Meteorologen des Deutschen Wetterdienstes heute bei ihren kurzfristigen Warnungen 90 Prozent der Gewitter erkennen. Die Warnungen sind dabei auf jeden einzelnen Landkreis zugeschnitten. Allerdings liegt aus diesem Grund die Falschalarmrate noch recht hoch. Die gute Nachricht: Sie ist in den vergangenen vier Jahren spürbar gesunken. Es zahlt sich aus, dass der Deutsche Wetterdienst viel in Technik und Fortbildung seines Personals investiert hat, um seine Gewitterwarnungen immer präziser und örtlich detaillierter zu machen. Auch bei ungefährlicheren Wetterelementen zeigen sich Erfolge. Die numerischen Wettermodelle liefern den Meteorologen heute Erkennungsrate von Gewittern leider noch keine ausreichend präzisen Informa-tion darüber, ob es beispielweise ganz leicht nieseln wird oder doch trocken bleibt. Trotzdem landen die Meteorologen des DWD auch in solchen besonders schwierigen Fällen in mehr als 85 Prozent der Prognosen einen Treffer. Es hilft ihnen, dass Niederschlag in vielen Gebieten Deutschlands ein häufiges Ereignis ist. Deshalb ist es generell einfacher, Niederschlag vorherzusagen als vergleichsweise seltene Wetterphänomene wie Gewitter oder Hagel. An manchem Ärger der Bürger sind die Wetterfrosche auch gar nicht schuld. Die notgedrungen stark vereinfachte Darstellung in den Medien kann schnell zu Fehlinterpretationen von Wettervorhersagen führen, wie das Magazin FOCUS im Jahr 2000 in einer Umfrage feststellte. Falschalarmrate bis 20 % bis 30 % bis 40 % bis 50 % bis 60 % bis 70 % bis 75 % bis 80 % bis 85 % bis 90 % bis 95 % mehr als 95 % Stündliche Verifizierung der Gewitterwarnungen für einzelne Landkreise am Beispiel Sommer Die Erkennungsrate übertraf im Schnitt deutlich 90 oder 95 Prozent (rote Farben). Nur an der Küste erschwert der Übergang zwischen Land und Wasser das sichere Erkennen von aufziehenden Gewittern (grün). Die durch leichtes Überwarnen in Kauf genommene Falschalarmrate lag in vielen Gebieten bei nur 80 Prozent, vergleichsweise gering war sie in den grün gefärbten Landkreisen. 12

13 Herausforderung Windböen Eine besonders schwere Herausforderung ist die zeitlich und auf den jeweiligen Landkreis bezogene präzise Vorhersage von Sturmböen, zumal diese ebenso selten auftreten wie Gewitter. Die Wetterstatistik zeigt, dass bei potenziell gefährlichen Wetterlagen Sturmböen lediglich mit einer Wahrscheinlichkeit zwischen einem und zehn Prozent auftreten. Im Vergleich mit der Humanmedizin ist dies etwa die Wahrscheinlichkeit, im Alter zwischen 40 und 70 Jahren an Krebs zu erkranken zumindest bei den meisten Tumorarten. in % Erkennungsrate Winter 2007/2008 Eine Analyse der Meteorologen für die letzten Jahre zeigt: Wenn die Wettervorhersage die Möglichkeit von Sturmböen generell einschließt, dann werden 16 Prozent davon exakt vorhergesagt. 84 Prozent wären dann falsche Alarme. Ähnlich in der Medizin: Bei 100 Krebsdiagnosen in der Krebsfrüherkennung kommt es im Mittel zu 90 Fehlalarmen, vor allem durch leichtes Überwarnen im Zweifelsfall Wind Sturm schwerer Sturm orkanartig Orkan Die stündliche Untersuchung der landkreisbezogenen Windwarnungen am Beispiel des Winters 2006 auf 2007 zeigt, dass inzwischen die Erkennungsrate, zumindest für stürmischen Wind und Sturm (links), mit etwa 90 Prozent sehr gut ist. Die Erkennungsrate für Windböen, konnte zuletzt weiter verbessert werden. Eine weitere Qualitätsanalyse des Deutschen Wetterdiensts zeigt: Sagen die Meteorologen Sturmböen vorher, dann steigt die Wahrscheinlichkeit dafür, dass diese kommen, um den Faktor Hundert an. Also ist die Warnung vor Sturmböen und orkanartigen Böen eine wichtige meteorologische Leistung des Deutschen Wetterdiensts. Die beim DWD tagtäglich durchgeführte Verifikation aller Vorhersagen ist die Basis für die ständige Verbesserung und Optimierung der numerischen Modelle. So können auch zukünftig Güte und Qualität der Wettervorhersagen und -warnungen gesteigert werden. 13

14 Wettervorhersagen deutlich verbessert Ein guter Meteorologe ist nicht klüger als jeder andere, er hat lediglich sein Unwissen besser organisiert. Unbekannt Die Offenbacher Qualitätsprüfer können durch ihre präzisen Analysen zeigen, welche enormen Fortschritte die Wettervorhersage in den vergangenen vierzig Jahren machte. Die jahrelange Investition von Steuergeldern in Forschung, in ein immer besseres Beobachtungsnetz und in erheblich leistungsfähigere Computermodelle zur Berechnung der Wetterentwicklung seit 1968, zahlt sich aus. Die Genauigkeit bei der 24-stündigen Vorhersage des Bodendrucks zum Beispiel stieg von etwa 74 Prozent im Jahr 1968 auf etwa 97 Prozent im Jahr Heute sind sogar die siebentägigen Vorhersagen genauer die 48-stündigen zu Beginn - und das gilt für viele Wetterelemente, nicht nur den Bodendruck. der Wettervorhersagen und Unwetterwarnungen. So kann der Deutsche Wetterdienst erkennen, welche Neuerungen besonders erfolgreich waren und wo das System noch Schwachstellen hat und Investitionen braucht. Die bisherige Erfolgsgeschichte der Wettervorhersage beweist jedenfalls, dass bei den amtlichen Wetterfröschen jeder Cent Steuergeld sehr gut angelegt ist. Inzwischen stehen die Meteorologen des Deutschen Wetterdiensts vor neuen Herausforderungen. Der Klimawandel lässt befürchten, dass sich extreme Hitzwellen und starke Unwetter häufen könnten. Präzise Vorhersagen und Warnungen können viele Menschen vor Schaden bewahren. Krankenhäuser etwa können sich rechtzeitig darauf einstellen, dass sie mehr ältere Mitbürger mit Kreislaufproblemen behandeln müssen. In hochwassergefährdeten Regionen können sich die Behörden und die betroffenen Menschen besser auf drohende Gefahren vorbereiten und so Schäden minimieren. Je komplexer das Wissen und die Technik der Meteorologen werden, desto wichtiger wird auch die Qualitätsprüfung 14

15 Genauigkeit der Vorhersagen des Bodendrucks 1968 bis 2008, Gebiet Nordatlantik und Mitteleuropa Korrelation 1,0 0,9 0,8 0,7 0, Jahr Seit 1968 ist die Qualität der DWD-Modellvorhersagen stetig gestiegen. Neue, größere Rechner und verbesserte Wettermodelle führten oftmals zu einem sprunghaften Anstieg der Genauigkeit in Richtung Optimum (1,0), wie hier am Beispiel der Bodendruckvorhersagen. Ab 1978 konnten statt zwei dann vier Vorhersagetage gerechnet werden, ab 1991 sogar sieben Tage. Heute ist eine Sieben-Tage-Vorhersage (unterste Linie, blau) besser als die Zwei-Tage-Vorhersage (zweitoberste Linie, grün) zu Beginn des Computerzeitalters Impressum Redaktion: Gerhard Lux, Pressestelle des DWD, Telefon: 0 69 / , pressestelle@dwd.de Text: Roland Wengenmayr ( Gerhard Lux Fotos und Abbildungen: DWD, B. Rudolf (S.14) Umsetzung: von Slatow ideeratio GmbH, Frankfurt am Main Eine Ergänzung zu dieser Publikation sind die vom DWD herausgegebenen Broschüren Die Wettervorhersage und Das Wetter im Visier. Sie können über das Internet unter als pdf-datei heruntergeladen werden. 15

16 Deutscher Wetterdienst Zentrale Frankfurter Straße 135, Offenbach Telefon: +49 (0) 69 / , Telefax: +49 (0) 69 / info@dwd.de Internet: DWD - Oktober