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Sonntag, 26. Mai 2019

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Numerische Wettervorhersage - Ensemblevorhersagen zur Abschätzung der
Vorhersageunsicherheit

Auch die besten Wettervorhersagemodelle können das Wetter nur bis zu 
einer gewissen Zeit in die Zukunft präzise vorhersagen. Im heutigen 
Thema des Tages wird erklärt, wie man die (Un-)sicherheit einer 
Wettervorhersage abschätzen kann.

Heutzutage berechnen komplexe Computerprogramme (sogenannte 
"numerische Wettervorhersagemodelle") die physikalischen Prozesse in 
der Atmosphäre. Als Ergebnis erhält der Meteorologe Informationen 
über die zeitliche und räumliche Entwicklung der atmosphärischen 
Größen wie Temperatur, Luftdruck, Wind oder Niederschlag, die er 
schließlich zu einer Wettervorhersage kombiniert. Allerdings wird mit
fortschreitender Vorhersagedauer jede Wetterprognose immer ungenauer 
und hat irgendwann nichts mehr mit der tatsächlich eintreffenden 
Wetterlage zu tun.


Für den Vorhersage-Meteorologen ist es von besonderem Interesse, zu 
wissen, wie weit in die Zukunft die Vorhersage noch "brauchbar" ist. 
Eine immer gültige Faustregel hierfür gibt es nämlich nicht. Während 
bei beständigen Wetterlagen eine zutreffende Prognose manchmal bis 
über eine Woche hinaus möglich ist, kann in anderen Fällen die 
Vorhersage schon nach wenigen Tagen stark von der tatsächlich 
eintreffenden Wetterlage abweichen. Interessiert man sich sogar für 
relativ kleinräumige Wetterphänomene (z.B. Gewitter), dann können 
unter Umständen schon für den Folgetag erhebliche Unsicherheiten 
entstehen.


Doch wie weit in die Zukunft ist eine Wetterprognose nun zuverlässig?
Stünde dem Meteorologen nur eine einzige Modellberechnung zur 
Verfügung, könnte er diese Frage nicht beantworten. Sie beschreibt 
lediglich EINE mögliche Entwicklung des zukünftigen Wetters. Da die 
Modelle aber alle paar Stunden neu gestartet werden, kann man die 
neueste Vorhersage mit der vorherigen vergleichen. Ab einer gewissen 
Vorhersagezeit werden sich die Ergebnisse unterscheiden, sodass 
spätestens ab diesem Zeitpunkt die Vorhersage offensichtlich unsicher
wird. Da die Wetterdienste verschiedener Nationen unterschiedliche 
Modelle entwickelt haben, besteht zudem die Möglichkeit, die 
Vorhersagen der verfügbaren Modelle zu vergleichen. Zeigen sie ab 
einem bestimmten Tag abweichende Wetterlagen, so wird die Vorhersage 
für die darauffolgenden Tage unsicher.


Die heutigen Hochleistungsrechner ermöglichen es außerdem, mit dem 
gleichen Modell zur selben Zeit nicht nur eine, sondern mehrere 
Vorhersagen zu erstellen. Dabei macht man sich die Ungenauigkeiten 
des Modells selbst zu Nutze. Schon der Anfangszustand der Atmosphäre 
als Beginn einer jeden Vorhersage kann niemals exakt bestimmt werden,
da uns keine lückenlosen dreidimensionalen Wetterinformationen 
vorliegen und kein Messgerät absolut exakt misst (s. Thema des Tages 
vom 17. März.). Bereits kleinste Abweichungen vom tatsächlichen 
Wetterzustand führen aber früher oder später zu deutlichen 
Unterschieden in den Modellergebnissen. Verändert man mittels 
statistischer Methoden den Anfangszustand geringfügig und nimmt diese
leicht unterschiedlichen Ergebnisse als Startpunkt für die einzelnen 
Modellvorhersagen, wird sich dies auf den Verlauf der berechneten 
Vorhersage auswirken. So erzeugt der Deutsche Wetterdienst mit seinem
Modell "ICON" zum selben Zeitpunkt 40 unterschiedliche 
Modellvorhersagen. Anfangs werden die Prognosen der einzelnen 
Modelläufe noch relativ ähnlich aussehen, weiter in der Zukunft 
unterscheiden sie sich aber zusehends.


Andere nationale Wetterdienste verfahren mit ihren Modellen ähnlich. 
Die beigefügte Grafik zeigt zwei Beispiele des Ensembles des 
amerikanischen Modells "GFS". Dargestellt ist der Verlauf der 
Temperatur in etwa 1500 m Höhe als eine für den Meteorologen wichtige
Schlüsselgröße. Im ersten Beispiel unterscheiden sich die 
Temperaturen bis zum sechsten Folgetag (22. April) nur geringfügig 
voneinander, danach gehen die einzelnen Kurven schlagartig 
unterschiedliche Wege. Ab diesem Zeitpunkt wird die Vorhersage also 
unsicher. Im zweiten Beispiel werden die Weichen für die zukünftige 
Wetterentwicklung offensichtlich schon nach weniger als zwei 
Vorhersagetagen gestellt (9. März). Somit war damals eine 
zuverlässige Wettervorhersage für mehrere Tage kaum möglich. Bei 
genauerer Betrachtung kann man zudem die einzelnen Kurven in Gruppen 
einteilen, die einen ähnlichen Weg einschlagen und danach beurteilen,
welche der möglichen Temperaturverläufe am wahrscheinlichsten ist. 
Somit kann man beispielsweise abschätzen, wie wahrscheinlich es ist, 
dass uns in den nächsten Tagen eine Hitzewelle oder ein Kälterückfall
droht. Eine Garantie ist das aber nicht, manchmal setzt sich auch 
eine "Außenseiterlösung" durch. Eine detailliertere Erläuterung zur 
Bedeutung der einzelnen Kurven finden Sie übrigens im Thema des Tages
vom 21.03.2018.


Die Ensembleprognosen liefern unserem Mittelfrist-Meteorologen, der 
sich mit dem Wetter der kommenden vier bis zehn Tage befasst, sehr 
hilfreiche Informationen, um die Unsicherheit der Wettervorhersage 
für diesen Zeitraum abzuschätzen. Neben der 10-Tage-Vorhersage 
verfasst er täglich einen ausführlichen Bericht (Synoptische 
Übersicht Mittelfrist), in dem die Vorhersagen der unterschiedlichen 
Wettermodelle und die Ensembles analysiert werden. Der interessierte 
Hobbymeteorologe darf gerne einmal einen Blick in diesen Bericht 
werfen (s. unten angefügter Link).


Dr. rer. nat. Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 26.05.2019

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