Aktuelles Wettergeschehen und Wettervorhersage Von der Messung bis zum Wetterbericht

Transkript

1 Aktuelles Wettergeschehen und Wettervorhersage Von der Messung bis zum Wetterbericht Lehrerfortbildung Mittwoch, 8. Juni 2011, Karlsruhe Bernhard Mühr, (IMK) KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Inhalt : Begriffsbestimmung: Wetter Witterung Klima Von der Messung zur Wetterkarte - Die Entstehung einer Wettervorhersage Messung und Beobachtung meteorologischer Größen Einheiten und Umrechnung der gemessenen Größen Einfache Abschätzungen und Richtwerte typischer Größen Nutzung von Satelliten und Radar Interpretation und Verständnis der Bodendruckkarten mit Eintragungen Interpretation und Verständnis der Höhenwetterkarten Überlegungen zur Vorhersage Verfassen eines Wetterberichtes Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

3 Die Wettervorhersage Wie entsteht eine Wettervorhersage? Ablauf Voraussetzungen und Prinzip Numerische Verfahren Probleme der Wettervorhersage Anfangswertproblem Parametrisierungen Modellauflösung Neue Wege Ensemble-Vorhersagen Hochaufgelöste Wettervorhersagemodelle weitere Forschung Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

4 Wetter Witterung - Klima Wetter: Zustand der Atmosphäre (Troposphäre) zu einem gegebenen Augenblick oder während einer kurzen Zeitspanne (höchstens 24 h). Witterung: Zustand der Atmosphäre über einem bestimmten Ort während eines größeren Zeitintervalls (mehrere Tage, Woche, Monat, Jahreszeit). Klima: mittlerer Zustand der Atmosphäre innerhalb eines längeren Zeitraumes (mindestens einige Jahre, auch gleiche Monate mehrerer Jahre) für einen bestimmten Ort oder ein bestimmtes Gebiet sowie die Häufigkeit seltener, aber für diesen Ort (Gebiet) charakteristischer meteorologischer Ereignisse (z.b. Gewitterhäufigkeit, strenge Winter, Orkane usw.). Man unterscheidet je nach Gebietsgröße Makro-, Meso- und Mikroklima Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

5 Aufgabe der Wettervorhersage Warnung vor Gefahren aus der Atmosphäre Abwendung von Schaden an Leben und Vermögen Sicherung von Luftfahrt, Schifffahrt Information wetterabhängige Wirtschaftszweige: Landwirtschaft, Bauwirtschaft, Energiewirtschaft, Verkehrswesen Vorsorgeverpflichtung des Staates Grundgesetz Gesetz über den Deutschen Wetterdienst Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

6 Ablauf der Wettervorhersage 1. Beobachtung: Messungen - Wind (u,v,w) - Temperatur - Luftdruck - Feuchte - weltweit! Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

7 Ablauf der Wettervorhersage 1. Beobachtung: Messungen Datenassimilation 2. Analyse: Anfangszustand - Wind (u,v,w) - Temperatur - Luftdruck - Feuchte - weltweit! Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

8 Ablauf der Wettervorhersage 1. Beobachtung: Messungen Datenassimilation 2. Analyse: Anfangszustand Numerische Wettervorhersage 3. Vorhersage Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

9 Ablauf der Wettervorhersage 1. Beobachtung: Messungen Datenassimilation 2. Analyse: Anfangszustand Numerische Wettervorhersage 3. Vorhersage Interpretation 4. Anwendung Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

10 Wie entsteht eine Wettervorhersage Voraussetzung für Wettervorhersagen: Atmosphäre folgt physikalischen Gesetzen physikalische Randbedingungen sind bekannt Anfangsbedingungen sind messbar und bestimmbar Prinzip: Erhaltungssätze der Physik Masse (Luft, Wasserdampf, Flüssigwasser, Eisteilchen) Energie Impuls (3 Raumrichtungen) Acht Bilanzgleichungen müssen gelöst werden im Prinzip partielle, nicht-lineare Differentialgleichungen müssen durch endliche Differenzen approximiert werden Anfangswertproblem Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

11 Wettervorhersage: Numerische Lösung Lösung: Numerische Verfahren Aufteilung der Atmosphäre in viele kleine Gitterboxen Berechnung der Gleichungen an Gitterknoten Wetter in Zukunft z.b. COSMO-DE Mitteleuropa: 322 x 322 x 40 (2.8 km) = Gitterpunkte Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

12 Wettervorhersage: Numerische Lösung Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

13 Wettervorhersage: Probleme nichtlineare, partielle Differentialgleichungen numerische Lösungsverfahren hoher Rechenaufwand, Ungenauigkeiten Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

14 Wettervorhersage: Probleme nichtlineare, partielle Differentialgleichungen numerische Lösungsverfahren hoher Rechenaufwand, Ungenauigkeiten Anfangswertproblem: an jedem Gitterpunkt müssen Modellvariablen bekannt sein Verfahren: Datenassimilation Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

15 Wettervorhersage: Probleme unterbestimmtes Anfangswertproblem Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

16 Wettervorhersage: Anfangswertproblem Chaos: System sensitiv bezüglich Anfangsbedingungen Analogie: Annahme: Ball rollt einen Hang hinunter 1.Einfache Bahn 2.Verschiebung Ausgangsposition: verschiedene Realisationen 3.Minimale unterschiede Ausgangsposition: erst gleicher Weg, danach Divergenz Eigenschaft Chaos: benachbarte Zustände (Ausgangspositionen) können divergieren auch bei noch so geringen Unterschieden in der Ausgangsposition (Lorenz, 1953) Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

17 Wettervorhersage: Anfangswertproblem Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

18 Wettervorhersage: Probleme nichtlineare, partielle Differentialgleichungen numerische Lösungsverfahren hoher Rechenaufwand, Ungenauigkeiten Anfangswertproblem: an jedem Gitterpunkt müssen Modellvariablen bekannt sein Verfahren: Datenassimilation Auflösung Modell: Wiedergabe von lokalen Effekten, z.b. Berg-Talwinde, Gewitter Auflösung nur von skaligen Prozessen Parametrisierungen Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

19 Wettervorhersage: Probleme nichtlineare, partielle Differentialgleichungen numerische Lösungsverfahren hoher Rechenaufwand, Ungenauigkeiten Anfangswertproblem: an jedem Gitterpunkt müssen Modellvariablen bekannt sein Verfahren: Datenassimilation Auflösung Modell: Wiedergabe von lokalen Effekten, z.b. Berg-Talwinde Auflösung nur von skaligen Prozessen Parametrisierungen: für subskalige Vorgänge z.b. Konvektion viele, viele nicht verstandene Phänomene Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

20 Verbesserung der Vorhersagegüte Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

21 Die eigene Wettervorhersage Messung und Beobachtung meteorologischer Größen Um das aktuelle Wetter zu beschreiben und zu analysieren, müssen wir die Wettermeldungen und Stationseintragungen richtig lesen und verstehen. DWD-Messnetze Bodenstationen, Flugplätze (METARS), Flugzeuge, Schiffe, Bojen, Radiosonden, Satelliten gemessen/gemeldet werden: Temperatur (Max, Min, Tagesmittel, Boden, Wasser) Feuchtigkeit Niederschlag Druck, Drucktendenz Wind (Mittelwind und Böen) Sichtweite Wetter der letzten Stunde Bewölkung (Art und Gesamtbedeckung) Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

22 Die eigene Wettervorhersage Einheiten der gemessenen Parameter und ihre Umrechnung Auf Wetterkarten werden Zahlenwerte sowohl im metrischen System angegeben als auch die Bezeichnungen aus der Luft/Seefahrt verwendet. Ein routinierter Umgang mit allen gängigen Einheiten ist unabdingbar Uhrzeit (Z, UTC, GMT, MEZ, MESZ) Temperatur ( C, K, F) Wind (m/s, km/h, Bft, kt) Niederschlag (mm, l/m², in) Höhe (m, ft, hpa) Druck (hpa, mmhg) Bewölkung (Achtel, Zehntel) Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

23 Die eigene Wettervorhersage Definitionen und einfache Abschätzungen und Richtwerte Mit einfachen Überlegungen und Kenntnissen/Abschätzungen einiger typischer Größen und Werte lässt sich bereits einiges über den Wettercharakter und die mutmaßliche Entwicklung sagen. Was ist ein Eistag/Frosttag, Sommertag/Hitzetag? Was ist der Taupunkt, die Taupunktstemperaturdifferenz? Was ist Nebel, Dunst (Definition)? Was ist ein Gewitter (Definition)? Was ist ein Niederschlagstag (Definition)? Ab wann beginnt Sturm/Orkan (Definition, Beaufortskala)? Wie sind die (wenigstens ungefähren) klimatologischen Mittelwerte von Karlsruhe/Deutschland? Wie groß ist die mögliche Temperaturspanne in Karlsruhe/Deutschland (Max/Mintemp.)? Welche Temperaturwerte bedeuten kalt im Sommer und warm im Winter? Was ist viel Regen (Intensität, absolute Menge)? Welche Windgeschwindigkeiten/Spitzenböen können auftreten in Karlsruhe, auf den Bergen, an der See? Im Sommer und im Winter, bei welchen Wetterlagen? Welche Taupunktstemperaturdifferenz kennzeichnet trockene/feuchte Luft? Ab welchem Taupunkt im Sommer ist die Luft besonders feucht (und evtl gewitterträchtig)? Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

24 Die eigene Wettervorhersage Interpretation und Verständnis der Bodendruckkarten mit Eintragungen Druck (Isobaren) und Druckzentren, Stationseintragungen Fronten Was sind Fronten? Wie und warum verlagern sie sich oder auch nicht? Erkennen der Frontpassagen anhand verschiedener Parameter Okklusionen, Konvergenzlinien Luftmassen und ihre Eigenschaften Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

25 Die eigene Wettervorhersage Das Stationsmodell Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

26 Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

27 Die eigene Wettervorhersage Satellitenbilder Mit etwas Übung verrät uns der Blick auf ein qualitativ gutes Satellitenbild oder auf eine Animation das Strömungsmuster, Lage und Bewegung der Druckgebilde, Fronten und Wettererscheinungen und erlaubt sogar schon eine erste Prognose. polumlaufende und geostationäre Satelliten Satellitendaten (Namen, Höhe, Umlaufdauer) was erkennen wir auf VIS, IR und WV-Bildern? wie und woran erkennen wir Nebel/Hochnebel, Schneeflächen, flache Konvektion, hochreichende Konvektion/Schauer/Gewitter? Wolkenentwicklung im Tagesverlauf Wie unterscheiden sich die unterschiedlichen Wolkenarten im IR/VIS-Bild? Identifikation der Zirkulationszentren, der Strömungsbewegung, der beteiligten Luftmassen Leewellen, Leecirrus, Föhneffekte, Kondensstreifen Wo finden wir frei verfügbare aktuelle und gute Satellitenbilder und Archive im WWW? Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

28 , 06 UTC MSG IR Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

30 Sonntag, , 15:42 UTC, NOAA 15 VIS Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

31 Die eigene Wettervorhersage Radarbilder Funktionsweise Was erkennen wir auf Radarbildern? Wie sehen typischerweise Regengebiete aus? Wie sehen typischerweise Schauer/Gewitter aus? Räumliche Ausdehnung und zeitliche Entwicklung? Probleme und Fehlechos Niederschlagsechos aus mittelhohen Wolken bei Warmfronten, die Regen anzeigen, der aber den Boden nicht erreicht Übergang Schnee/Regen Wo finden wir frei verfügbare aktuelle und gute Radarbilder und Archive im WWW? Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

35 Die eigene Wettervorhersage Interpretation und Verständnis der Höhenwetterkarten Wir sollten wissen, welche Größen in Höhenwetterkarten dargestellt werden (können), welche Bedeutung und Einheit sie haben, wie sie die Verhältnisse am Boden bestimmen und mit ihnen wechselwirken. Wie und wann werden die routinemäßigen Messungen gewonnen (Satelliten, Radiosonden)? Welche Größen werden dargestellt? Wie lesen wir die Größen richtig ab? Was ist das Geopotential? Wie ist es definiert, welche Einheit hat es? Was sind die Hauptdruckflächen? In welcher mittleren Höhe befinden sie sich, was sind die Hauptisohypsen? Wie erkennen wir Rücken, Tröge, Sekundärtröge Frontalzone, Jetstream Kaltlufttropfen, Höhentief Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

37 Die eigene Wettervorhersage Aktuelle Wettermeldungen Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

38 Die eigene Wettervorhersage Aktuelle Wettermeldungen Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

39 Die eigene Wettervorhersage Überlegungen zur Vorhersage Was verrät uns der Blick aus dem Fenster/an den Himmel? Wolkenbild, Wolkenarten, Wolkenaufzug, Wolkenwachstum? Zugrichtung und Geschwindigkeit Sichtweite Lässt sich daraus etwas über die Luftmasse und die großräumige Strömung und Lage der Druckgebilde ableiten? Ist eine erste Kürzestfristprognose möglich? Welche Faktoren bestimmen die Tiefsttemperatur? Jahreszeit (Länge der Nacht) Bewölkung (Ausstrahlung) Feuchtigkeit (Taupunkt, Nebel, Gegenstrahlung) Wind Besondere Lage (Tal, Mulde, Hang, Kuppe) Welche Faktoren bestimmen die Höchsttemperatur? Bewölkung (Einstrahlung) Jahreszeit (Sonnenstand, Tageslänge) Luftmasse Schichtung der Luft (vertikale Durchmischung) Mit was für einer Luftmasse haben wir es zu tun? Bedeutung des 850 hpa-niveaus (auf Bodentemperatur) extrem warm bei >20 C extrem kalt bei <-20 C Bedeutung des 500 hpa-niveaus (auf Bodentemperatur, Wind, Schichtung, Wetter) extrem warm bei >-10 C extrem kalt bei < -40 C Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

40 Die eigene Wettervorhersage Der Wetterbericht Wir sollten alle in der Lage sein, in wenigen Sätzen eine sowohl inhaltlich als auch formal gute und richtige Wettervorhersage zu verfassen. Richtige Reihenfolge Wetterlage Wetter heute (Bewölkung, Niederschlag, Temperatur, Wind) Wetter kommende Nacht (Bewölkung, Niederschlag, Temperatur) Wetter morgen (Bewölkung, Niederschlag, Temperatur) Weitere Aussichten Besonderheiten (Gewitter mit Hagel, Glättegefahr usw.) Begriffe richtig verwenden Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

41 Die eigene Wettervorhersage Frei verfügbare Informationsquellen im Internet Aktuelle Satellitenbilder Europa/Welt: Satellitenbilder Archiv (Deutschland, Europa, Welt): Aktuelle Radarbilder Deutschland/Europa/Welt: Aktuelle Wetterwerte Deutschland/Europa/Welt: Wettervorhersagekarten (Modelloutputs) Europa/Welt: Übersicht und Berichte zu aktuellen und vergangenen extremen Wetterereignissen Deutschland/Europa/Welt: Wetterrekorde Deutschland, Welt, Beaufortskala uvam: Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung

42 Die eigene Wettervorhersage Frei verfügbare Informationsquellen im Internet Klimadiagramme Deutschland/Europa/Welt: Klimakarten Deutschland: Klimakarten Kontinente/Welt: Klima Baden-Württembergs: Der Karlsruher Wolkenatlas: Ansprechpartner: Dipl.-Met. Bernhard Mühr Kalrsruher Institut für Technologie Tel: 0721 / Fax: 0721 / muehr@kit.edu Juni 2011 Bernhard Mühr Lehrerfortbildung