Wettervorhersagen verstehen: So entstehen moderne Wetterprognosen

Zwischen Spaß und Risiko: Das Wetter ist ständiger Begleiter jedes Seglers

Beim Segeln ist das Wetter von zentraler Bedeutung. Der Wind treibt die Segelyacht an und ist praktisch ihr Motor. Wind, Wellen und andere Wetterfaktoren bestimmen jedoch nicht nur das Tempo eines Törns, sondern auch seinen Komfort. Starkwind, hoher Seegang oder schlechte Sicht können im Extremfall Crew und Yacht sogar gefährden. Kurzum: Wer schnell, sicher und mit Freude segeln will, ohne böse Überraschungen zu erleben, braucht eine zuverlässige Wettervorhersage.

Das Wetter ist ein empfindliches System und nur begrenzt vorhersehbar. Schon kleinste Veränderungen können die Lage grundlegend verändern. Dank moderner Mess-, Beobachtungs- und Computertechnik lassen sich die Ausgangslagen jedoch präziser erfassen, sodass immer mehr Faktoren in die Prognosen einfließen. Dadurch werden Wettervorhersagen immer genauer. Aber wie entstehen sie eigentlich – und wo liegen die Knackpunkte einer modernen Wettervorhersage? Dazu zunächst ein kurzer Rückblick.

Von ersten Beobachtungen und frühen Messungen zur systematischen Wetterbeobachtung

Die Beobachtung und Vorhersage des Wetters beschäftigt die Menschheit seit Jahrtausenden. Das erste meteorologische Lehrbuch, die „Meteorologica”, wurde bereits um 350 vor Christus von Aristoteles verfasst. Seine Begriffe und grundlegenden Ideen wirken bis heute nach. Entscheidende Fortschritte brachten die Erfindungen erster Messinstrumente wie das Thermometer und das Barometer im 16. und 17. Jahrhundert. Damit wurde erstmals eine systematische Messung von Temperatur und Luftdruck möglich.

Wetter ist jedoch ein globales Ereignis: Bereits kleinste Veränderungen in einem Teil der Welt können das Wettergeschehen in einem ganz anderen Teil der Erde beeinflussen. Erst der Aufbau eines weltweiten Netzes an Wetterstationen und die Fortschritte in der Kommunikation, die einen schnellen Austausch zwischen diesen Wetterstationen ermöglichte, führten zur modernen Wetterkunde.

Damit wurde es erstmals möglich, Wetterkarten zu erstellen, die das Wettergeschehen eines größeren Gebiets darstellten. Sie zeigen Linien gleichen Luftdrucks (Isobaren) und gleicher Temperatur (Isothermen) sowie wichtige Wetterelemente wie Hoch- und Tiefdruckgebiete, die durch leicht verständliche Symbole veranschaulicht werden. Diese, auch synoptisch genannte, Darstellung legte den Grundstein für die Entwicklung der heutigen Wettervorhersagen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Bedeutung der Höhenatmosphäre erkannt. Zunächst beobachtete man sie mit Radiosonden und Messgeräten an Ballons und später auch aus Flugzeugen. In der zweiten Hälfte des Jahrhunderts revolutionierten zwei Werkzeuge die Wetterforschung: Satelliten ermöglichten es, das Wetter nahezu weltweit zu verfolgen, und Computer berechneten die atmosphärischen Veränderungen immer präziser. So entstand die moderne numerische Wettervorhersage. Die verschiedenen numerischen Wettermodelle bilden heute die Grundlage der Wetter-Apps, die nicht nur für Segler längst zum Standard geworden sind.

Detaillierte Messwerte: Die Basis moderner Prognosen

Damit moderne Wetterberechnung funktioniert, muss der Ist-Zustand des Wetters möglichst genau erfasst werden. Wie bereits beschrieben, handelt es sich beim Wetter um ein großräumiges Ereignis, daher muss die Meteorologie das Wettergeschehen möglichst weltweit und in der gesamten Atmosphäre genau beobachten. Um eine weitere Berechnung des Wetters überhaupt erst zu ermöglichen, ist es nötig, das Wettergeschehen in Zahlen und Werten zu erfassen.

Dazu werden diverse physikalische Messgrößen genutzt, beispielsweise der Luftdruck, die Temperatur, die Windrichtung und -stärke oder die Menge an Wasserdampf (Feuchte) in der Luft. Erschwerend kommt hinzu, dass all diese Werte nicht nur am Boden, sondern auch in unterschiedlichen Höhen der Atmosphäre gemessen werden müssen. Ergänzt werden diese Parameter durch Beobachtungen von Wolken und Wettererscheinungen.

Heute stammen diese Informationen aus einem weltweiten Beobachtungsnetz. Die Grundlage bilden rund 11.000 Wetterstationen an Land, die zu festen Zeiten verschiedene Messungen durchführen. Um die Bedingungen in der Höhe besser beurteilen zu können, kommen Messinstrumente in Flugzeugen hinzu. Darüber hinaus werden weltweit an mehr als 1.300 Orten mindestens zweimal täglich Wetterballons gestartet. Diese Ballons mit Radiosonden steigen bis zu 38 Kilometer hoch in die Atmosphäre und senden während des Aufstiegs kontinuierlich Messwerte zurück zur Erde. Hat der Ballon seine Höhe erreicht, platzt er – und die Messgeräte finden per Fallschirm den Weg zurück auf die Erde.

Ein Problem bei diesen Methoden zur Erfassung des Wetters ist jedoch, dass sie nicht überall auf der Erde im gleichen Umfang durchgeführt werden.

Datenwüsten: Eine Herausforderung für genaue Wetterprognosen

Vor allem in Europa und Ostasien liefern Landstationen regelmäßig zuverlässige Wetterdaten. Das dünner besiedelte Nord- und Südamerika ist dagegen nur noch knapp ausreichend mit Messstationen abgedeckt. Noch magerer sieht es in vielen Regionen Afrikas und Ozeaniens aus. Große Teile der Erde bleiben sogar weitgehend „Datenwüsten“. Dazu gehören beispielsweise die Polargebiete und, für Segler besonders unerfreulich, auch die Ozeane.

Das eigentliche Problem: Auch das Wetter in gut beobachteten Regionen wird maßgeblich von Prozessen in diesen Datenwüsten beeinflusst. Selbst in meteorologisch hervorragend erschlossenen Gebieten wie Europa kann das die Vorhersage deutlich erschweren. Ein Beispiel ist die Arktis, deren Wettergeschehen großen Einfluss auf das Wetter in Mitteleuropa hat. Um die Lücken über den Ozeanen zumindest zu verringern, sind rund 2.500 Schiffe mit Wetterstationen an Bord unterwegs.

Ergänzt werden diese durch etwa 1.500 automatische Driftbojen. Auch etwa 5.000 Verkehrsflugzeuge liefern regelmäßig wichtige Messwerte an die verschiedenen Wetterinstitute.

Satelliten: Den Globus im Blick

Erst durch den Einsatz von Satelliten wurde eine nahezu lückenlose, flächendeckende Beobachtung des globalen Wettergeschehens möglich – insbesondere in den zuvor beschriebenen Datenwüsten. Die Meteorologie nutzt seit über 50 Jahren Daten von Wettersatelliten. Sie werden stetig verbessert und sind zu einer unverzichtbaren Hilfe geworden. Satelliten messen die reflektierte Sonnenstrahlung sowie die Erd- und Atmosphärenstrahlung im sichtbaren Infrarot- und Mikrowellenbereich.

Aus diesen Daten lassen sich verschiedene physikalische Messgrößen ableiten, wie beispielsweise die Temperatur und Feuchte. Zudem liefern Satelliten Wolkendaten, die dabei helfen, Windrichtung und -geschwindigkeit in verschiedenen Höhen zu bestimmen. Radarsysteme auf den Satelliten liefern zusätzlich Daten über Wellenhöhen sowie Windrichtung und -geschwindigkeit an der Meeresoberfläche.

Wettermodelle und leistungsstarke Computer: Der Quantensprung in der Wettervorhersage

All die zuvor beschriebenen Messmethoden helfen dabei, den aktuellen Zustand des Wetters immer präziser zu beschreiben. Doch wie lässt sich damit das Wetter in der Zukunft berechnen? Meteorologen hegen seit Langem den Wunsch, die physikalischen Abläufe in der Atmosphäre vollständig mathematisch zu beschreiben. Tatsächlich können viele dieser Prozesse bereits recht präzise durch Gleichungen dargestellt werden, jedoch noch nicht immer vollständig und fehlerfrei.

Wetterberechnungen müssen die extrem komplexen Zusammenhänge diverser Parameter und Messungen berücksichtigen und das möglichst an jedem Punkt der Erdatmosphäre. Diese komplizierten Systeme von Gleichungen bilden die Basis der numerischen Wettervorhersagemodelle der verschiedenen Wetterinstitute. Damit versucht die Metorologie, sich rechnerisch so gut wie möglich einer verlässlichen Wetterprognose anzunähern.

Um ein numerisches Wettervorhersagemodell zu erstellen, wird ein dreidimensionales Gitternetz über ein Gebiet der Erde gelegt. In manchen Modellen nur über eine Region, in anderen hingegen über den gesamten Globus. Das Gitter reicht vom Erdboden bis in rund 75 Kilometer Höhe. Für jeden Kreuzungspunkt dieses Gitters werden Gleichungen definiert, die die dort relevanten physikalischen Größen beschreiben. Anschließend werden die Messwerte aus diesem Gebiet in das Modell eingespeist.

Mit diesem Anfangszustand startet der Computer seine Berechnungen und simuliert, wie sich das Wetter verändert. Am Ende liefert das Modell für jeden Gitterpunkt Vorhersagen zu verschiedenen Parametern, wie beispielsweise auch dem Wind.

Der Rechenaufwand ist gewaltig: Für jeden Kreuzungspunkt müssen etwa 5.000 Rechenoperationen durchgeführt werden – und das für 90 Schichten in der Höhe sowie für jeden Zeitschritt der Vorhersage. Je nach „Maschendichte“ des Netzes, also dem Abstand der einzelnen Vorhersagepunkte, der Größe der Vorhersagefläche und den Vorhersagezeitraum steigt der Rechenaufwand exponentiell.

Der Rechenaufwand steigt zusätzlich durch die chaotische Natur des Wetters: Schon kleinste Abweichungen in den Ausgangsdaten können eine Prognose vollständig verändern. Um diesen Umstand in den Berechnungen zu berücksichtigen, müssen all die zuvor beschriebenen Berechnungen mehrfach durchgeführt werden, und zwar jeweils mit leicht veränderten Anfangs- und Randbedingungen sowie unterschiedlichen Modelleinstellungen.

Auch heute noch sind all diese Rechenoperationen trotz Supercomputern und wachsenden Rechenzentren nur schwer in einem akzeptablen Zeitrahmen zu meistern. Oder um es überspitzt zu sagen: Wem nützt eine sehr exakte Wettervorhersage für die nächsten zwei Tage, wenn die Berechnung dafür ebenfalls zwei Tage dauert?

Daher müssen Kompromisse eingegangen werden, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Zu den häufigsten Stellschrauben gehören der Abstand der einzelnen Vorhersagepunkte des Netzes, die Größe der Vorhersagefläche und der Vorhersagezeitraum.

Das ist der Grund, warum ein hoch aufgelöstes Wettermodell wie beispielsweise das Modell ICOM-D2 vom Deutschen Wetterdienst zwar eine hohe Auflösung besitzt – also einen geringen Abstand zwischen den Vorhersagepunkten –, dafür aber Abstriche bei der Fläche und beim Vorhersagezeitraum machen muss.

Wahrscheinlich unberechenbar: Wo automatische Wetterprognosen an ihre Grenzen stoßen

Die numerischen Wettermodelle gelten bereits heute als äußerst zuverlässig und werden kontinuierlich nachjustiert. Damit lassen sich großräumige Entwicklungen bereits viele Tage im Voraus prognostizieren. Je weiter sich die Prognose allerdings vom Ausgangspunkt entfernt, desto größer werden die Unsicherheiten.

Zudem bereiten kleinräumige Phänomene wie lokale Winde, Nebelfelder oder Gewitterzellen deutlich mehr Schwierigkeiten. So kann eine Gewitterzelle beispielsweise so kleinräumig sein, dass sie selbst von einem hochaufgelösten Wettermodell, das ein verhältnismäßig feines Gitter verwendet, nicht erfasst wird. Darüber hinaus bleibt die Simulation von Wolkenbildung und Niederschlag eine der größten Herausforderungen der Wetterforschung.

Mithilfe von Radaranlagen können Wetterinstitute Niederschläge bis auf wenige hundert Meter genau erkennen. Dank unterschiedlicher Radarechos ist es damit sogar möglich, festzustellen, ob es sich bei dem Echo um Regen, Hagel oder Schnee handelt. Ob dahinter eine Gewitterzelle steckt, zeigen Blitzortungssysteme, die Blitze auf etwa 100 Meter genau lokalisieren. In die Zukunft blicken solche Systeme jedoch nicht. Eine Vorhersage darüber, wie sich die Wetterlage verändert und wohin ein Gewitter zieht, ist hier nur durch Rückschlüsse aus den Radarechos der Vergangenheit möglich.

Am Ende muss der Mensch mit Hilfe seiner Erfahrung in der Einschätzung des Wetters entscheiden, wie sich die Wetterlage weiterentwickelt. Für eine amtliche Wettervorhersage werden beispielsweise alle verfügbaren Quellen genutzt. Meteorologen beobachten die Werte von Messstationen und Radar- sowie Satellitendaten, gleichen sie mit verschiedenen Modellergebnissen ab und entscheiden mit fachkundigem Blick, welche Einschätzung tatsächlich herausgegeben wird.

Fazit

Trotz aller Fortschritte bleibt das Wetter ein chaotisches und nur schwer einzuschätzendes System, das niemals vollständig berechenbar sein wird. Deshalb werden Wetterprognosen auch in Zukunft immer ein gewisses Restrisiko bergen.

Die Entwicklung der vergangenen Jahrzehnte zeigt jedoch, wie rasant die Meteorologie an Präzision gewinnt. So ist eine Vorhersage für sieben Tage heute schon genauso zuverlässig wie eine Tagesprognose vor nur fünfzig Jahren. Dank moderner Technik kann das Wetter immer genauer beobachtet und berechnet werden. Dieser Fortschritt wird Wettervorhersagen, auch für Segler, künftig noch verlässlicher machen.