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Thema des Tages

Numerische Wettervorhersage – Wetteranalyse als Basis einer jeden Wetterprognose

Um die physikalischen Abläufe, die für das Wetter verantwortlich sind, mathematisch beschreiben und vorhersagen zu können, verwendet man komplexe Computerprogramme, die sogenannten numerische
Wettervorhersagemodelle. Bevor mit diesen Modellen überhaupt das Wetter für die Zukunft vorhergesagt werden kann, muss man zu allererst wissen, wie das Wetter – oder besser gesagt der Zustand der Atmosphäre – zum aktuellen Zeitpunkt aussieht. Was auf den ersten Blick ganz banal erscheinen mag, ist in der Realität gar nicht so leicht zu erfassen. Für eine exakte Wetteranalyse würde man rund um den Globus zu Land wie zu Wasser unendlich viele Wetterstationen benötigen, die nicht nur Wind, Temperatur, Luftdruck, Feuchte und Niederschlag am Boden, sondern auch in unterschiedlichen
Atmosphärenhöhen messen müssten. Außerdem müssten diese Messungen unendlich genau sein. Beides ist völlig utopisch.

Am Boden hat man zumindest auf dem Festland noch „ganz gute Karten“. Wetterstationen messen nach weltweit einheitlichen Standards alle wichtigen Wetterparameter. Allerdings sind diese Stationen von Staat zu Staat räumlich sehr unterschiedlich verteilt. Mit insgesamt über 500 hauptamtlichen und automatischen Wetterstationen und 931 Niederschlagsstationen (Stand: Juli 2017) besitzt der Deutsche Wetterdienst in Deutschland eines der dichtesten Messnetze weltweit. Aber selbst dieses reicht bei Weitem nicht aus, um die Atmosphäre in Bodennähe exakt beschreiben zu können. Gerade kleinräumige Phänomene wie Gewitter mit Sturmböen, Platzregen oder Hagel ziehen nicht selten an Wetterstationen vorbei und werden so nicht erfasst. Noch problematischer wird es, wenn man die Kontinente verlässt. Auf den Ozeanen, die flächenmäßig den größten Teil unserer Erde ausmachen, sind noch deutlich weniger Wetterinformationen verfügbar. Lediglich einige Bojen an der Meeresoberfläche und Schiffe senden Wetterdaten ins globale Messnetz.

Aber es sind nicht nur die bodennahen Messdaten von Bedeutung. Für die Wetterprognose mindestens genauso wichtig ist der der Zustand der Atmosphäre in der Höhe. Klassisch bestimmt man diesen mit sogenannten Radiosonden. Diese mit Helium gefüllten Wetterballons lässt man mit Messgeräten bestückt mehrmals am Tag in atmosphärische Höhen bis etwa 35 km aufsteigen. Entlang ihrer Flugbahn liefern sie Informationen darüber, wie sich zum Beispiel Temperatur und Feuchte mit zunehmender Höhe verändern. Jedoch ist die Anzahl an Radiosondenaufstiegen viel geringer als Bodenmessstationen und diese allein würden für eine adäquate Wetteranalyse nicht ausreichen. In Deutschland gibt es insgesamt 11 Standorte, an denen regelmäßig Ballonaufstiege stattfinden. Zusätzlich zeichnen auch Flugzeuge Wetterdaten auf.

Aber welche Möglichkeiten gibt es noch, um an die für Wettermodelle notwendigen dreidimensionalen Informationen zu kommen? Allen voran sind hier Wettersatelliten zu nennen. Diese bieten viele Vorteile. Sie können großräumige Wettersysteme genauso erfassen wie
kleinräumige Unwetter. Zudem überblicken sie die riesigen
meteorologischen Datenwüsten der Erde. Die geostationären Satelliten durchleuchten aus einer Höhe von knapp 35800 km die Atmosphäre im sichtbaren und infraroten Bereich. Während man im sichtbaren Kanal die Verteilung der Wolken von oben sehen kann, liefert uns die Infrarotstrahlung Informationen zur Verteilung von Temperatur und Wasserdampf in der Atmosphäre. Durch aufwändige Nachbearbeitung dieser Satelliteninformationen erhalten wir Meteorologen so ein dreidimensionales Bild der globalen Wetterküche, inklusive
Temperatur, Feuchte, Niederschlag, Windgeschwindigkeit und
Windrichtung. Der einzige Haken an der Sache ist, dass diese Informationen zwar räumlich lückenlos, aber recht ungenau sind – also genau das Gegenteil von erdgebundenen Messstationen, die zwar ziemlich präzise messen, aber nur punktuell vorhanden sind.

Kommen wir nun zurück zur Wettervorhersage. Bevor mit der Berechnung des zukünftigen Wetters begonnen werden kann, wird eine sogenannte Modellanalyse erstellt. Dazu nimmt man als grobe Abschätzung die Vorhersage der vorherigen Modellberechnung für den aktuellen Zeitpunkt und korrigiert diese mit den oben genannten Messungen. Dieser Prozess wird Datenassimilation genannt. Dadurch erhält man ein bestmögliches Abbild der Atmosphäre, das als Startpunkt für die numerische Wetterprognose dient. Da dieses Abbild aber nie exakt bestimmbar ist, versteht es sich von selbst, dass auch keine Vorhersage exakt sein kann. Dass dazu auch noch zahlreiche
Vereinfachungen bei den eigentlichen Modellberechnungen selbst hinzukommen, wurde bereits in vorherigen Themen des Tages erklärt (siehe unten angefügte Links). Das Wetter wird also auch in Zukunft immer für Überraschungen gut sein.

Dr. rer. nat. Markus Übel
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 17.03.2019

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