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. verfasst. (Fachwörter wie: Tromben, Taifun gehen auf ihn zurück). Instrumentelle Wetterbeobachtungen waren erst durch die Erfindung des Thermometers (Galilei und Drebbel :1592) und des Barometers (Toricelli: 1643) möglich. 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, Luftdruck und Luftfeuchte zu messen. Mit diesen Mittelwerten wollte man das Wetter 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 Wetters 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 Wettervorhersage 1910 findet Richardson eine Näherungslösung, die eine Wetterberechnung ermöglicht. Er hatte relativ viele Daten aus der dritte Dimension, weil am 20. Mai 1910 der internationale Ballon Tag war, an dem viele Messungen durchgeführt 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 Computer) der US Armee. Dieser Großrechner beherrschte Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und Quadratwurzelziehen. 1958 begann das US Weather Bureau mit der Erstellung von Höhenwetterkarten der gesamten Nordhalbkugel 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 Erforschung und Beobachtung des Wetters mit der Entwicklung von Meßinstrumenten, 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 bestimmte. 1780 wurde in Mannheim die Societas Meteorologica Palatina gegründet, die als erster Wetterdienst gilt. Diese Gesellschaft richtete das erste Beobachtungsnetz 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 London erstmals vorgeführt). Erst ab Mitte des 19. Jahrhunderts entstanden in Deutschland regionale Wetterdienste, welche 1934 zum Reichswetterdienst zusammengefaßt wurden. Nach Kriegsende wurden in allen 4 Besatzungszonen eigene Wetterdienste gegründet. Aus den Wetterdiensten der 3 westlichen Besatzungszonen 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 Wetterstationen (100 mit Personal besetzt ), welche stündlich Temperatur (Luftund Bodentemperatur), Luftdruck, Luftfeuchte, Sonnenscheindauer, Wind und Niederschlag messen. Des weiteren gibt es 2400 nebenamtliche Stationen, die teilweise von ehrenamtlichen Wetterbeobachtern betreut werden. Die Hauptaufgabe des DWD ist, vor wetterbedingten Gefahren (Hitze, Kälte Überschwemmungen, 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 angewiesen. Zuverlässige und aktuelle Wetterinformationen tragen wesentlich zur Erhöhung der Sicherheit und Effizienz in der Luftfahrt bei. Eine weiter Abteilung 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 Wetterberatung 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 weltweite 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 Wetterdienste 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, Donnerwetter, Top-Wetter, Meteo Group, Q-Met. 3 Messung von meteorologischen Daten 3.1 Messen der Wetterelemente in Bodennähe - Wetterstation Um die Wetterelemente in Bodennähe zu messen wird eine Wetterstation verwendet. Kernstück ist die Wetterhütte, die 2m über dem Boden stehen soll. Sie besteht aus winddurchlässigen Lamellenwänden um nicht der direkten Sonneneinstrahlung 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 Minimumthermometer 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 verdunstet 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 Feuchttermometer gut belüftet wird, um zu verhindern, dass der entstandene Wasserdampf die Verdunstung behindert. Dieses Messprinzip erreicht eine sehr hohe Genauigkeit (+/- 0,5%). Der Thermohygrograph zeichnet den zeitlichen Verlauf von Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit auf. Dazu wird das temperaturabhängige Verbiegen eines Bimetallstreifens 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 verändert ihr Volumen, wenn sich der Luftdruck ändert. Diese Volumenänderung wird an einem Zeiger angezeigt. Zu einer Wetterstation gehört auch das Bodenmeßfeld 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 Ultraschallanemometer (1996 erfunden). Dieses Gerät sendet von jedem der vier Sensoren Ultraschallwellen an die drei anderen Sensoren aus, wobei der Wind die Schalwellen sowohl horizontal als auch vertikal versetzt, so dass der Schall entsprechend zeitverzögert den nächsten Sensor erreicht. Aus dieser Verzögerung berechnet die Messelektronik die horizontale und vertikale Windgeschwindigkeit. 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 7
Ultraschallanemometer sind die höhere Genauigkeit und das Fehlen von Trägheit 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 Wetterstationen. 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 Strahlungskomponenten gemessen. Die von der Sonne kommende kurzwellige Strahlung wird in der Atmosphäre gestreut und erwärmt die Erd- und Wasseroberfläche. 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 Streuung 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 gesamte Wettergeschehen zu erfassen. Man benötigt Daten aus höheren Schichten 8
der Atmosphäre. Um 1900 hat man begonnen mit Flugzeugen und Heißluftballonen 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 Höhenwetterkarten zu erstelen. Heute werden mit der Radiosonde Temperatur Luftdruck und Luftfeuchte bestimmt. Mit einem Radar (oder GPS Gerät) wird die Position 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 Radiosonden durchführen. 3.2.2 Wetterradar Das Wetterradar (RADAR = RAdio Detecting And Ranging) wird zur Erfassung von Niederschlag verwendet. Der DWD unterhält ein Netzt von 16 Radaranlagen. Abbildung 8: Radarstation 9
Die Antenne des Radarsystems strahlt einen auf ca. 1 gebündelten, elektromagnetischen Puls von bekannter Frequenz, Länge und Leistung ab. Niederschlagsteilchen streuen diese Energie und senden sie teilweise zur Antenne zurück. Aus der Laufzeit des Empfangssignals lässt sich die Entfernung bestimmen. Neben der Intensität der rückgestreuten Signale erfassen die Radaranlagen über die Dopplerverschiebung auch die mittlere radiale Geschwindigkeit der Niederschlagsteilchen. 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. P = k J n R 2 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 Windgeschwindigkeit messen. Dazu verwendet man Windprofiler. Bei diesem Verfahren werden elektromagnetische Impulse (482 MHz) in mindestens 3 verschiedenen Strahlrichtungen ausgesandt. Die rückgestreuten Wellen erfahren dabei in Abhängigkeit von der durch den Wind bestimmten Bewegung der turbulenten Strukturen eine Frequenzverschiebung (Dopplereffekt). Daraus lässt sich der gesamte Windvektor berechnen. Abbildung 9: Windprofiler Meteorologische Daten werden auch von Linienflugzeugen bei Start und Landung im Höhenbereich bis 12 km gewonnen. Durch das europäische Flugzeugmesssystem (E-AMDAR (European Aircraft Meteorological Data Relay) ) werden 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 erschlossenen Gebieten (Ozeane, Wüsten) Informationen liefern. Wettersatelliten befinden sich auf geostationären Umlaufbahnen (36000 km) und auf polumlaufenden Umlaufbahnen (800km-1500km). 10
Abbildung 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 Spektralbereichen (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 Strahlungsmaximums von Wolken oder von der Erdoberfläche kann deren Temperatur bestimmt werden. Indem man den Planetenrand scannt kann man die Atmosphäre wie eine Schicht durchleuchten und die Gaskonzentration in der Atmosphäre 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 Beobachten 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 Wettervorhersagen liefern sie wichtige Information, nämlich wo und wie oft Blitze auftreten. Daraus kann auf sich verstärkende und vergehende Gewitter geschlossen werden. Raman lidar for Atmospheric Moisture SenSing (Ramses): ist ein Laser Radar System, dass Wasserdampf -Vertikalprofile mit sehr guter Auflösung 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 Spektrums 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 Teilstrahlen aufgespalten, die, nachdem der eine über einen beweglichen, der andere über einen feststehenden Spiegel reflektiert wurde, gleichzeitig auf einem Detektor nachgewiesen werden. Die Messerfassungselektronik erfasst somit als Funktion der Position des beweglichen Spiegels die durch Interferenz hervorgerufenen Intensitätsschwankungen, das sogenannte Interferogramm. Durch Fourier-Transformation wird anschließend aus diesem 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 Gesamtwassergehalt 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 Gesamtwassergehalt 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 regelmäßig Schiffswettermeldungen ab 3000 kommerzielle Flugzeuge erstellen während ihres Fluges Wetterinformationen 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 Telecommunication 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 - Klimadiagramme Alle gewonnenen Daten werden vom DWD einer Qualitätsprüfung unterzogen und in der Datenbank gespeichert. Dabei wird in einem ersten Schritt geprüft 12
ob 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, Wettersatellit,...) 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 Klimadiagramme berechnet. Dabei berechnet man Tages- Monats- und Jahresmittelwerte um Veränderungen im Klima zu erkennen. Bei der Temperatur verwendet man eine besondere Mittelwertbildung um die fehlende Nachtmessung zu kompensieren. T Mittel = T 7 + T 14 + 2T 21 4 Abbildung 11: Klimadiagramm von Regensburg 3.5 Wetterkarten Die gemessenen Wetterdaten (Temperatur, Luftdruck, Windstärke, Windrichtung,...) 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 Stunden oder Tagen ist die Diagnose des dreidimensionalen atmosphärischen Zustands zum Ausgangszeitpunkt. (Boden- und Höhenwetterkarten, Radar und Satellitendaten). Ausgehend von dem atmosphärischen Zustand zu einem Anfangszeitpunkt wird der Zustand zu einem späteren Zeitpunkt berechnet. Dabei werden die Gleichungen, die das Wettergeschehen beschreiben (Hydrodynamik und Thermodynamik) numerisch gelöst. 13
7 Größen werden bei der numerischen Wettervorhersage verwendet um den Zustand der Atmosphäre zu beschreiben (3 Windkomponenten u,v,w [m/s], Dichte ρ [kg/m 3 ], Temperatur T [K], Luftdruck p[mbar], (Bei feuchter Luft die spezifische 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 numerische 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 mangelnder Kenntnis des Anfangszustands der Atmosphäre. Zum einen sind die Wasseroberflächentemperatur 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 turbulent 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 untersten 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: kleine Ursache kleine Wirkung). Instabilität liegt dann vor, wenn (sogar sehr kleine) Änderungen eine Rückkehr zum vorangegangenen Zustand verhindern. 14
Das Wetter verhält sich teilweise instabil. Kleinräumige Störungen sind in der Lage immer größere Maßstabsbereiche zu infizieren. Es kann also z.b. eine Luftverwirbelung 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 Wettervorhersage beträgt ca. 2 Wochen. 4.4 Nowcasting (0h-2h) - Synoptische Meteorologie Bei dieser Art der Vorhersaage bekommt der Wetterberater sämtliche erreichbaren Wetterinformationen um daraus eine Vorhersage zu erstellen. Dabei extrapoliert er die horizontalen und vertikalen Verlagerungen und schätzt die Intensität bereits vorhandener oder gerade entstehender Wettersysteme (Schauer, Gewitter, Schneefall) ab. Er muss das gesamte Wettergeschehen der letzten Stunden 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 Witterungserscheinungen. 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 Anzahl 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 vorherzusagen. Darum haben Wettervorhersagen immer eine unterschiedliche Eintreffgenauigkeit. 15
Abbildung 12: Ensemble Vorhersage für Potsdam Man benutzt die Ensemblevorhersage um die Genauigkeit einer Prognose abzuschätzen. 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: xi systematische F ehler : N ( xi ) mittlerer quadratischer F ehler : 2 N mit x i = eingetroffener 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 16
4.10 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 auszugehen, dass diese Entwicklung weitergehen wird. Fortschritte im Bereich der Datenerfassung (Wettersatelliten, Wetterradar,...) führen zu immer zahlreicheren und hochwertigeren Meßwerten. Fortschritte im Bereich der Computertechnologie führen zu immer schnelleren und genaueren Prognosen. Außerdem werden die Wettervorhersagemodelle ständig verbessert. 17
Quellenangabe: 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 18