Was sind die Wettermodelle?

Ohne Computer und Wettermodelle gibt es heutzutage keine Wettervorhersagen mehr, man nennt diesen Bereich auch „Numerische Wettervorhersage“. Die Technik hat bei der Prognose in den vergangenen Jahrzehnten einen großen Fortschritt gebracht, doch was sind diese Wettermodelle eigentlich, wie funktionieren sie?

Unter Numerischen Wettervorhersagen versteht man also computergestützte Wetterprognosen. Mit Millionen Messwerten von Tausenden Wetterstationen wird der aktuelle Zustand der Atmosphäre ermittelt und mit Hilfe von einigen physikalischen Gleichungen deren Veränderung und damit der Zustand in der Zukunft berechnet. In den 1950er und 1960er Jahren reichten diese Berechnungen mit den ersten Computern nur wenige Stunden bis Tage in die Zukunft, inzwischen rechnen einzelne Wettermodelle bis zu 14 Tage und sogar noch weiter. Bei den riesigen Datenmengen braucht man dafür aber so genannte Supercomputer, die zu den schnellsten der Welt gehören.

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Moderne Supercomputer mit enormer Rechenleistung nehmen oft ganze Räume ein

Solche Supercomputer können sich aber nur wenige Staaten weltweit leisten, da sie oft eine zweistellige Millionensumme (Euro) verschlingen. Sie stehen unter anderem in Deutschland, Großbritannien, Norwegen, Australien, Kanada und den USA.

Man unterscheidet zwischen globalen Modellen und Lokalmodellen, die nur für eine relativ kleine Region deutlich genauer gerechnet werden. Für die globalen Modelle wird die gesamte Erde mit einem dreidimensionalen Gitternetz überzogen und für jeden einzelnen Gitterpunkt werden alle wichtigen Wetterparameter wie Luftdruck, Wind und Temperaturen für viele verschiedene Höhen in festen Zeitschritten berechnet. Es muss global gerechnet werden, da Hochs und Tiefs aus einem begrenzten Bereich irgendwann herausziehen würden und nichts mehr da wäre zum Berechnen. Die Maschenweite der globalen Modelle liegt zwischen 10 und 50 Kilometer, die Auflösung ist also recht grob. Kleinräumige Prozesse und die Topografie unterhalb dieser Schwelle werden entweder nicht erfasst oder deren Einfluss aufwändig in die Modelle eingefügt.

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Globales Gitternetz mit grober Maschenweite

Lokale Wettermodelle weisen eine deutlich geringere Maschenweite auf, die Gitterpunkte liegen hier nur zwischen 1 und 15 Kilometer auseinander. Die Auflösung ist also wesentlich besser. Dies erfordert aber auch weit mehr Rechnerkapazität und ein solches Modell kann nur für eine begrenzte Region gerechnet werden. Damit die gewählte Region nicht nach kurzer Zeit leer ist, weil die Druckgebilde aus dem Kartenbereich ziehen und weil auch Einflüsse von außerhalb wichtig sind, zieht man für die Modellränder Werte aus den globalen Modellen hinzu. Man spricht vom so genannten „Nesting“. Lokale Wettermodelle werden in zahlreichen Ländern betrieben.

Die Ergebnisse der weltweit wichtigsten Wettermodelle kann man sich bei uns unter Vorhersage XL für nahezu jeden Ort in Europa ansehen. Die beiden folgenden Grafiken zeigen die Berechnungen für 2-3 Tage und für 10 Tage am Beispiel Berlin. Die Fahnen und Farben der Kurven stehen für die unterschiedlichen Wettermodelle aus den verschiedenen Ländern. Deutschland taucht zweimal auf, einmal ein globales Wettermodell und dazu ein hoch aufgelöstes Lokalmodell. Für alle Orte kann man sich die Modellergebnisse für die wichtigsten Parameter wie Temperatur in verschiedenen Höhen, Taupunkt, Luftdruck, Niederschlag, Windrichtung und Windstärke anzeigen lassen. Man kann ganz einfach zwischen der Darstellung für 2-3 Tage und den Grafiken für bis zu 10 Tage wechseln.

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Berechnungen einiger Modelle für 2-3 Tage mit überwiegend guten Übereinstimmungen

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Berechnungen einiger Modelle für bis zu 10 Tage mit immer größeren Unterschieden

Warum gibt es so viele verschiedene Wettermodelle und wie unterscheiden sie sich? Der Hauptunterschied ist in der Auflösung zu finden, dazu kommt der unterschiedliche Ausgangszustand. Die Messwerte, die in die Modelle einfließen, sind zwar für alle Modelle gleich, sie liegen aber nicht für jeden Gitterpunkt vor, unter anderem gibt es auf den Meeren meist nur wenige Messpunkte. Mit mathematischen Verfahren müssen die Gitterpunkte, für die keine Messwerte vorliegen, aufgefüllt werden, auch ältere Modellergebnisse werden dafür hinzugezogen. Dabei schleichen sich einige Ungenauigkeiten ein.

Kleinste Änderungen des Ausgangszustandes können dabei vor allem bei Berechnungen über Tage hinweg große Auswirkungen haben. Man spricht vom so genannten Schmetterlingseffekt, nach dem der Flügelschlag eines Schmetterlings in dem chaotischen System Wetter in einer ganz anderen Region einen Sturm auslösen kann. Diesen Effekt berücksichtigt man, indem man so genannte Ensembleprognosen rechnet. Neben dem eigentlichen Hauptlauf mit den ursprünglichen gemessenen und interpolierten Werten verändert man den Ausgangszustand geringfügig und lässt erneut rechnen. Dies wiederholt man einige Male und erhält zahlreiche Prognosen für den Zustand der Atmosphäre in der Zukunft. Dabei gilt: Je ähnlicher die einzelnen Ensembleberechnungen sind, desto sicherer ist die Prognose.

Die berechneten Parameter werden meist in Kartenform dargestellt und stehen den Meteorologen als Grundlage zur Verfügung. Dafür ziehen die Meteorologen aber möglichst viele Modelle hinzu. Bei guter Übereinstimmung unter den Wettermodellen ist von hoher Eintreffwahrscheinlichkeit auszugehen, bei großen Unterschieden ist die Unsicherheit deutlich größer. Der Meteorologe bzw. die Meteorologin lässt seine/ihre Erfahrung einfließen, um zu entscheiden, welches Modell für die jeweilige Lage bessere Ergebnisse liefert. Damit können dann Vorhersagetexte und Unwetterwarnungen erstellt werden.

 

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