Konrad Balzer Wolf gang Enke. Werner Wehry Wettervorhersage
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Konrad Balzer. Wolf gang Enke. Werner Wehry Wettervorhersage Mensch und Computer - Daten und Modelle Mit 92 Abbildungen und 16 Tabellen Springer
DIPL.-METEOR. KONRAD BALZER Deutscher Wetterdienst Michendorfer Chaussee 23 D-14473 Potsdam e-mail: kbalzer@dwd.d400.de DR. WOLFGANG ENKE Freie Universität Berlin Inst. für Meteorologie Carl-Heinrich-Becker-Weg 6-10 D-12165 Berlin e-mail: wenke@bibo.met.fu-berlin.de PROF.DR. WERNER WEHRY Freie Universität Berlin Inst. für Meteorologie Carl-Heinrich-Becker-Weg 6-10 D-12165 Berlin e-mail: wehry@bibo.met.fu-berlin.de ISBN-13:978-3-S40-64186-S Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork Die Deutsche Bibliothek- - CIP-Einheitsaufnahme Balzer, Konrad: Wettervorhersage: Mensch und Computer - Daten und Modelle; 16 Tabellen / Konrad Balzer; Wolfgang Enke; Werner Wehry. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer 1998 ISBN-13:978 3-540-64186-5 e-isbn-13:978-3-642-59886-9 DOI: 10.1007/978-3-642-59886-9 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnal1me von Abbildungen und 'Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfllmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annallme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daller von jedermann benutzt werden dürften. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998 Umschlaggestaltung: Bayerl & Ost, Frankfurt Satz: S. Pauli, Springer-Verlag, Heidelberg SPIN: 10667406 30/3136-5 43 2 1 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort Drei in Theorie und Praxis erfahrene Meteorologen beschreiben den am Ende des 20. Jahrhunderts erreichten Kenntnisstand in der Vorhersage von Wetter und Klima. Basis des Fortschritts ist das weltumspannende System der kontinuierlichen Beobachtung aller atmosphärischen Vorgänge, in dem mit Hilfe von Wetterstationen, Schiffen, Flugzeugen, Satelliten- und Radarnetzen, neuerdings auch mit Blitzortung und erd- sowie satellitengebundenen neuen Meßsystemen möglichst alle interessierenden Wetterelemente erfaßt werden. Supercomputer sowie ständig verbesserte und erweiterte physikalische Rechenmodelle simulieren den Wetterablauf immer detaillierter und weiter in die Zukunft bis hin zu (noch unvollkommenen) Klimaprognosen. Natürlich wissen die Meteorologen, daß sie der Natur niemals vollständig in die Karten sehen können. Aber sie ersinnen auch Methoden, um Zufälliges und Unscharfes als Quelle zusätzlicher Erkenntnis zu nutzen, indem sie mit statistischen und empirischen Verfahren die Ergebnisse der Rechenmodelle verfeinern. Zum erstenmal im deutschsprachigen Raum werden ausführlich und - wie wir meinen - durchaus spannend die Meilensteine dargestellt, die zur modernen Wettervorhersage führen. Auch über die Probleme, die in der Arbeitsteilung von Mensch und Maschine (Computer, Meßgerät) liegen, wird ebenso berichtet wie über die Güte der Wettervorhersage. Der Bogen der Wettervorhersage wird weit gespannt: Er reicht von der punkt- und zeitgenauen Gewitterwarnung für die nächsten zwei Stunden bis zur wahrscheinlichen Entwicklung unseres Klimasystems. Unterschiedliche Modellergebnisse und kontroverse Thesen zur Klimaänderung werden ebenfalls kritisch bewertet. Wir meinen, den derzeitigen Wissensstand der "Wettervorhersage" in diesen relativ wenigen Seiten zusammengefaßt zu haben und hoffen auf sowohl kritische wie auch wohlwollende Leser. Berlin, im Mai 1998, Konrad Balzer, Wolfgang Enke, Werner Wehry
Inhaltsverzeichnis 1 Falsche Propheten....................................... 1 2 Wetter jeder Art - wie wird das Wetter?... 5 2.1 Erst Diagnose - dann Prognose.............................. 7 3 Voraussetzung für die Wettervorhersage - Beobachten und Messen... 9 3-1 Meteorologische Größenordnungen (Scales)... 9 3.2 Messen der Wetterelemente in Bodennähe - eine Wetterstation.... 14 3.3 Messen der Wetterelemente in der Atmosphäre - die 3. Dimension. 16 Geschichtliches: Meßverfahren für die ganze Atmosphäre... 16 Vom Boden aus wird die dritte Dimension erschlossen............ 17 Flächenhafte Messung aus der Ferne - vom Satelliten aus......... 18 Meßgeräte der neuen Generation... 20 3.4 Meßnetze................................................ 22 4 Nowcasting - die ersten zwei Stunden... 25 4.1 Großer Aufwand für Nowcasting - Wetterüberwachung (Monitoring)... 25 4.2 Wann löst sich der Nebel auf? Wie gefährlich wird das Gewitter?................................................. 26 4.3 Nutzung empirischer Verfahren.............................. 28 5 Meilensteine der modernen Wettervorhersage........ 31 5.1 Die Suche nach dem wahren Zustand der Atmosphäre... 31 5.2 Die geniale Idee des Breslauer Physikers Brandes... 32 5.3 Ist der Krieg doch "der Vater aller Dinge"?... 34 5.4 Wetterdienste in Aktion - Warum Deutschland Schlußlicht war... 36 5.5 Das Bjerknes-Programm - die Geburtsstunde der modernen Wettervorhersage.......................................... 39 5.6 Richardson - der Rückschlag und die Konsequenzen... 44 5.7 Charney und Neumann - der Durchbruch..................... 48 5.8 Hinkelmann - der deutsche Aufbruch......................... 50 6 Grundlagen und Besonderheiten der mittelfristigen Wettervorhersage....................... 55 6.1 Das EZMW-Modell näher betrachtet.......................... 55 6.2 Das Prognosemodell... 55 6.3 Datenassimilation... 58 6.4 Noch einmal zum Maßstabsproblem.......................... 62 6.5 Instabilitäten wohin man schaut... 64
VIII Inhaltsverzeichnis 6.6 Unvermeidliche Fehlerquellen... 67 7 Aktuelle Herausforderungen und erste Antworten... 71 7.1 Die Entdeckung der Grenzen in der Vorhersage................. 71 7.2 Die Antwort heißt: Stochastik... 73 7.3 EPS - der gesteuerte Zufall.................................. 76 Steigerung der Vorhersagegüte... 78 QuantiJizierung der Unbestimmtheit.......................... 78 7-4 Muß das EPS erweitert werden?.............................. 79 7.5 Die Automatisierung der Wettervorhersage... 84 AFREG... 86 7.6 Die MIX-Philosophie....................................... 89 8 Prognosen prüfung - Wie gut oder schlecht sind Wettervorhersagen?..................................... 93 8.1 VerifIkation tut not... 93 8.2 Wozu Prognosenprüfung?................................... 94 8.3 Interessen contra Objektivität... 95 8-4 Wie erkennt man Blindlingsprognosen?... 97 Was heißen nun Persistenz und Klimaerwartung?... 98 8.5 Die Geister scheiden sich... 99 8.6 Zahlen statt Begriffe - die Wende... 100 8.7 Maßzahlen der Güte... 101 Wirtschaftsprognosen - ist da etwas dran?... 103 Bewertung von Alternativprognosen... 104 8.8 Zur aktuellen Güte der Wettervorhersage... 106 1. Schwankt die Prognosegüte im Laufe eines Jahres?... 106 2. In welchem Monat sind die Wettervorhersagen am genauesten?.. 106 3. Wie gut werden Niederschläge vorhergesagt?.................. 107 4. Wie verhalten sich Mensch und Maschine bei der Vorhersage anderer Wetterelemente?... 108 5. Wie gut sind mittelfristige Wettervorhersagen?... 110 6. Wo liegt gegenwärtig die zeitliche Grenze der Vorhersagbarkeit?.. 111 J. Zum Trend der Prognosengüte.... 112 8. Wird der Fortschritt anhalten?... 114 9 Wettervorhersage - Einblick und Ausblick............. 117 9.1 Das Mensch-Maschine-Problem in der Wettervorhersage......... 117 9.2 Die Zukunft der Wettervorhersage............................ 121 10 Langfristvorhersage..................................... 125 10.1 Einige historische Anmerkungen zu Langfristvorhersagen........ 125 10.2 Gegenwärtiger Stand der Langfristvorhersage... 126 Extratropische Langfristvorhersagen... 129 11 Klimaprognosen......................................... 133
Inhaltsverzeichnis IX 11.1 Der Klimabegriff............ 133 11.2 Komponenten unseres Klimasystems... 134 Wenigstens auf die Sonne ist Verlaß........................... 134 Die Atmosphäre - ein warmer Mantel... 135 Der Mantel ist vielschichtig... 137 Es wird noch komplexer!... 139 Der Kohlenstoffkreisl. als Schlüssel zum Verständnis unseres Klimas 139 Physikalischer Kohlenstoffkreislauf... 139 Der organische Kohlenstoffkreislauf - Ozeane als Schlüsselfaktor... 141 11.3 Mögliche Ursachen von Klimaänderungen..................... 143 Historische und prähistorische Klimaänderungen... 143 Historische Aufzeichnungen.... 144 Laminierte Sedimente (Warven).............................. 144 Ablagerungen in Großtagebauen.... 144 Kohlenstoffisotope von Bäumen als Klimaindikatoren... 145 Untersuchungen der Eisbohrkerne auf GrÖnland.... 145 Klimabedingungen aus Rattenkot.... 145 Samen- und Pollenanalysen.................................. 146 Wo ist das C02 der Uratmosphäre geblieben und warum gibt es überhaupt noch C02?..................................... 146 Einige Eiszeittheorien...;... 148 11.4 Methoden der Klimaprognose... 151 Statistische Modelle........................................ 151 Boxmodelle............................................... 152 Zirkulationsmodelle... 152 11.5 Regionalisierung von großräumigen Klimaprognosen... 158 1. Regionale Klimamodelle.... 159 2. Statistische Verfahren.... 159 3. Gekoppelte dynamische und statistische Verfahren.... 160 11.6 Ergebnisse von Klimaprognosen... 160 Werden wir den CO 2 -Ausstoß wirklich weltweit reduzieren?... 161 Literatur........................................................ 165 Glossar... 169 Index... 179