Seewetter: Welche Vorhersagemodelle gibt es? Wie exakt sind GRIB-Files?

Titelfoto: (C)Wetterzentrale.de

Wettervorhersagen basieren auf Vorhersagemodellen

Numerische Wettervorhersagen: Welcher Segler hat schon einmal davon gehört? Mir war dieser Begriff völlig unbekannt, obwohl wir uns in unserem Blauwasserleben doch nahezu täglich damit beschäftigen. Numerische Wettervorhersage ist der Fachbegriff für die computergenerierten Vorhersagen, die mittlerweile eigentlich hinter fast jeder Wetterapp, jeder Wettersoftware und den meisten Wetterwebsites stehen.

Auch die Informationen, in den in der Seglerwelt vielgenutzten GRIB-Daten (General Regularly-distributed Information in Binary form), umgangssprachlich auch gerne als GRIB-Files bezeichnet, sind numerische Wettervorhersagen. Hier sind sie vielleicht etwas geläufiger unter der Bezeichnung Vorhersage- oder Wettermodell. Der Einfachheit halber werde auch ich im Folgenden den Begriff Vorhersagemodell verwenden.

Es gibt sehr viele Anbieter, die Wettervorhersagen auf der genannten Datenbasis anbieten. Interessant ist dabei, dass fast alle Anbieter ihre Wettervorhersagen nicht selbst erstellen, sondern auf Vorhersagemodelle zurückgreifen, die in den Rechenzentren einiger weniger meteorologischer Institute oder von privaten Anbietern errechnet werden.

Das wohl bekannteste Vorhersagemodell ist das Global Forecast System (GFS) des US-Amerikanischen Wetterdienstes National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Heutzutage sind GFS-Daten in nahezu allen Wetterprogrammen zu finden. So liest man zum Beispiel auf der Webseite der App Windfinder „… unsere grundlegende, bewährte und zuverlässige globale Prognose. Basierend auf dem NOAA-GFS-Wettervorhersagemodell wird sie weltweit für Unternehmen und für die Freizeit eingesetzt.“.

Da die GFS-Daten kostenlos zur Verfügung stehen, basieren die Wetterprogramme der kleineren kostenlosen Anbieter nahezu ausschließlich darauf. Nur ein paar große Anbieter bieten eine transparente Auswahl von Modellen an und nur sehr wenige Anbieter ergänzen gar ihre Vorhersage durch eigene Berechnungen oder handgemachte Einschätzungen.

Wir stellen also fest, dass die Vorhersagen, die wir mit Programmen, Diensten oder Webseiten verschiedener Anbieter abrufen, meist auf denselben wenigen Modellen beruhen. Die meisten Anbieter erstellen nur die Benutzeroberfläche, in der die Ergebnisse der Modelle für uns in eine verständliche, grafische Form gebracht werden, in der wir interagieren können. Die Wetterinformationen dahinter haben die gleiche Quelle. Wollen wir also verschiedene Prognosen in unsere Planung mit einbeziehen, müssen wir nach einer Software suchen, die es uns ermöglicht, auch verschiedene Wettermodelle abzurufen.

Ein gutes Beispiel für den Modellvergleich ist die immer beliebter werdende Lösung des Anbieters Windy.com. Sowohl auf der Website als auch in der App wird neben dem GFS-Modell auch das als sehr zuverlässig geltende ECMWF-Modell des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage angeboten, darüber hinaus stehen verschiedene regionale Modelle zur Auswahl.

Mehrere Modelle können, wie der Screenshot zeigt, direkt miteinander verglichen werden und geben uns so die Möglichkeit, Abweichungen zu erkennen. Doch machen wir uns nichts vor: Wetter ist chaotisch und schwer vorhersehbar, hin und wieder sehen wir uns in der Realität mit einem Wetter konfrontiert, das anders vorhergesagt war. Diesbezüglich gilt: Wenn verschiedene Vorhersagemodelle unterschiedliche Ergebnisse zeigen, ist die Wetterlage unsicher und schwer vorherzusagen. Wenn die Modelle hingegen zu einer einigermaßen ähnlichen Vorhersage kommen, ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass sie stimmt.

Diese Grafik spiegelt genau die angesprochene Thematik wider. Sie zeigt die Vorhersage für die Windgeschwindigkeit in zehn Metern Höhe für die nächsten Tage auf der Hochseeinsel Helgoland in der Deutschen Bucht. Jede farbige Linie steht für ein anderes Vorhersagemodell (GFS ist hier hellblau). In den ersten 48 Stunden sind sich die Modelle noch recht einig, danach wird es chaotisch.

Wie verlässlich sind die Vorhersagemodelle?

Doch können wir so einer maschinell erstellten Vorhersage überhaupt vertrauen? Nun, ein Modell macht theoretisch nichts anderes als ein Meteorologe. Vereinfacht gesagt, wird das aktuelle Wetter analysiert und dann lassen sich daraus, aufgrund bekannter physikalischer Prozesse, Wetterprognosen errechnen.

Diese Rechenprozesse sind enorm und erfordern gewaltige Rechnerkapazitäten. Erst durch die Entwicklung der heutigen Hochleistungsrechner sind Wettermodelle in ihrer jetzigen Form überhaupt möglich geworden. Aufgrund dieser Komplexität werden sie auch nicht jede Stunde neu gerechnet, sondern in den meisten Fällen nur zwei Mal am Tag. In einer seriösen Software ist der letzte Berechnungszeitpunkt einsehbar und zeigt, wie „alt“ die Daten sind.

Letztendlich beziehen auch Meteorologen solche Modelle mit in ihre Vorhersagen ein, ihr unschlagbarer Vorteil ist aber, dass sie durch ihren Erfahrungsschatz Fehler besser erkennen können, die in einer reinen Computerberechnung zu einer Kettenreaktion und somit zu einer komplett falschen Vorhersage führen können.

Die beste Lösung ist also immer noch ein Fachmann, aber indem wir verstehen, wo die Vorteile und Schwachpunkte der Wettermodelle liegen, können auch wir wertvolle Wetterinformationen für unsere Törnplanung daraus ableiten.

Unbestritten ist allerdings auch, dass sich die Zuverlässigkeit der Vorhersagen durch Wettermodelle deutlich verbessert hat. Laut dem Deutschen Wetterdienst (DWD) liegt die Qualität der Zwei-Tage-Vorhersage heutzutage bei einem Wert von 0,9. Dabei gilt: 1 bedeutet „ist genau so eingetroffen“ und -1 bedeutet „liegt voll daneben“. Des Weiteren hat der DWD festgestellt, dass heutzutage die Vorhersagen für sieben Tage exakter sind als die für nur 48 Stunden in den 1970er Jahren. Das klingt doch schon mal nicht schlecht!

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Wie wird das Vorhersagemodell berechnet?

Die Grundlage einer numerischen Wettervorhersage bildet, wie gesagt, das aktuelle Wetter. Dabei wird auf alle verfügbaren Messdaten zugegriffen. Das können Bodenwetterdaten, Radiowetterdaten, Daten von Schiffen, Flugzeugen oder Satelliten sein. Aber auch Beobachtungsdaten, Daten von Wetterbojen und Wetterballons oder Vertikalprofile von Temperatur und Feuchte können einfließen. Aus all diesen Informationen wird ein möglichst genauer Ist-Zustand des Wetters erstellt, auf dessen Basis dann das Wetter errechnet wird.

Logischerweise ist diese Berechnung fehlerbehaftet, da Wetter, wie gesagt, chaotisch ist. Wissenschaftler sprechen in diesem Zusammenhang auch oft vom Schmetterlingseffekt. Er besagt, dass bereits die kleinste Veränderung der Ausgangsbedingungen, also der Flügelschlag eines Schmetterlings, zu einer Kettenreaktion mit katastrophalem Ausmaß führen kann. Der US-amerikanische Mathematiker und Meteorologe Edward N. Lorenz, welcher den Effekt benannte, stellt hier sogar die Frage: „Kann der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien einen Tornado in Texas auslösen?“

Um etwaige Berechnungsfehler weiter einzugrenzen, wird heutzutage daher die sogenannte Ensembletechnik angewandt. Dabei werden mehrere Vorhersagen desselben Modells mit leicht abgeänderten Anfangsbedingungen berechnet, woraus sich Mittelwerte und Wahrscheinlichkeiten ableiten lassen. Das ist im folgenden Bild gut zu sehen.

Jede farbige Linie stellt im Bild eine neue Berechnung der Windgeschwindigkeit in 10 Metern Höhe dar. Etwa vier Tage lang verlaufen die farbigen Linien deckungsgleich – dann wird es chaotisch. Die dickere weiße Linie ist der Mittelwert aller Rechenergebnisse.

Da bei der Ensembletechnik das Modell mehrfach berechnet werden muss, wird zwangsläufig sehr viel Rechenleistung benötigt. Nicht zuletzt hat daher auch die Entwicklung von Supercomputern in den letzten 20 Jahren zu einer Verbesserung der Wettervorhersagen geführt.

Dennoch, Rechenleistung und auch die Qualität der Software sind nicht alles, das Hauptproblem bleibt bestehen. Umso schlechter das aktuelle Wetter ermittelt werden kann, desto schlechter ist auch die Vorhersage. Ist der Zustand des aktuellen Wetters beispielsweise nur lückenhaft bekannt, müssen fehlende Messdaten interpoliert werden. Nehmen wir mal die Ozeane: Da gibt es vergleichsweise wenig Messdaten. Dieser Umstand erschwert die Berechnung detaillierter, hochauflösender Vorhersagen über die Wetterbedingungen auf den Ozeanen.

Mehr noch: Der Mangel an Information hat auch einen Effekt auf alle weiteren Vorhersagen, weil Wetter nun einmal ein globales Phänomen ist. Umso weiter wir in die Zukunft blicken wollen, desto großflächiger müssen wir auch das aktuelle Wetter kennen. Nehmen wir beispielsweise den Nordatlantik, er wird oft auch die Wetterküche Europas genannt. Wollen wir längerfristige Prognosen für Europa erstellen, brauchen wir also auch aktuelle Messwerte vom Nordatlantik – etwa von Schiffen, die dort unterwegs sind.

Wie detailliert ist die Auflösung der Vorhersagemodelle?

Damit sind wir bei der Auflösung der Wettermodelle, die durch die so genannte Maschenweite angegeben wird, angekommen. Nehmen wir beispielsweise das Modell GFS 45 km, der US-amerikanischen NOAA. Wie der Name schon sagt, hat es eine Maschenweite von 45 Kilometern. Das bedeutet, dass die Erdoberfläche in ein Gitternetz unterteilt wird, in dem die Maschenweite, also der horizontale Abstand zwischen zwei Gitterpunkten, 45 Kilometer beträgt. Die Wetterdaten werden für jede „Masche“ berechnet.

Das bedeutet im Umkehrschluss: Schauen wir uns eine Strecke von sagen wir 180 Kilometern an, haben wir, auf Basis des genannten Modells GFS 45 km, vier Berechnungspunkte, an denen das aktuelle Wetter ermittelt wird. Würden wir statt GFS 45 km das hochauflösenden Modell AROME 1,3 km vom französischen Wetterdienst Meteo France nutzen, sind es stattdessen 138 Berechnungspunkte und die Vorhersage ist sehr viel genauer.

Je engmaschiger das Daten-Netz ist, desto mehr Rechenaufwand wird benötigt. Deshalb ist die Abdeckung hochauflösender Modelle meistens nicht weltweit, sondern regional beschränkt. In diesem konkreten Beispiel können wir mit GFS 45 km eine weltweite Vorhersage abrufen, mit AROME 1,3 km nur einen Bereich von ungefähr Süddänemark bis Südspanien.

Bei der Berechnung spielt übrigens auch die Dichte der Messstationen eine Rolle. Ein hochauflösendes Modell ist nicht automatisch genauer in einer Region, in der ein Großteil der Messwerte interpoliert wurde. Für die Berechnungen von kleinräumigen Ereignissen, wie beispielsweise Squalls oder Gewitter, muss die Gitterauflösung mindestens doppelt so groß sein wie das Ereignis selbst. Folge: In grob auflösenden Modellen können diese kleinen Effekte nicht richtig dargestellt werden. Auch lokale Landeffekte wie die Windverhältnisse im Luv oder Lee einer Insel sowie Seewind, Kapeffekte und vieles mehr können in höheren Auflösungen nicht erfasst werden, wie das folgende Beispiel zeigt.

Hochauflösende Modelle erlauben uns also eine wesentlich detailliertere Vorhersage, zumal sie in der Regel häufiger aktualisiert werden und somit auch für kurzfristige regionale Warnungen die erste Wahl sein sollten. Allerdings hat das auch Grenzen. Wollen wir weiter in die Zukunft schauen, müssen wir, wie bereits erwähnt, das Wetter großflächiger betrachten. Das würde für ein Modell mit einer Auflösung von einem Kilometer einen extremen und kaum zu bewältigenden Rechenaufwand bedeuten. Auch das sehen wir in unserem Beispiel: GFS 45 km bietet einen Vorhersagezeitraum von 16 Tagen, AROME 1,3 km nur zwei Tage.

Welche Wetterdienste und Wettermodelle gibt es?

Auf den ersten Blick gibt es eine für den Laien kaum überschaubare Anzahl an Wetterdiensten mit entsprechend vielen Modellen. Beim tieferen Einstieg in die Materie wird allerdings schnell klar, dass nicht alle Dienste und Modelle für uns Segler relevant sind.

Übrigens unterscheidet man grob zwischen drei Varianten der Vorhersage. Wahlweise werden die Berechnungen für die atmosphärischen Werte, wie beispielsweise den Wind in zehn Metern Höhe, den Luftdruck, den Niederschlag, die Bewölkung, die Windböen, die Temperatur oder die relative Luftfeuchtigkeit, oder den Seegang oder die Strömung durchgeführt.

Die nachstehende Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, zeigt aber ganz gut auf, welche Wetterdienste und Vorhersagemodelle von Seglern vornehmlich genutzt werden. Es gibt noch eine Menge weitere Modelle. Auf BLAUWASSER.DE kannst du eine umfangreiche Liste der Modelle downloaden.

Umfangreiche Liste mit einer Übersicht der Institute und ihrer Vorhersagemodelle für Atmosphäre, Seegang und Strömung.

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

NOAA ist der Wetterdienst der USA. Die Behörde berechnet die globalen Modelle GFS und GEFS, die hochauflösenden Modelle NAM, HRRR, RAP sowie ein Modell zur Vorhersage des Seegangs WW3 (WaveWatch3).

Atmosphärisch

GFS ist zwar das am weitesten verbreitete Wettermodell, ist in den letzten Jahren aber immer wieder wegen Ungenauigkeiten kritisiert worden. Die NOAA reagierte darauf mit einer Überarbeitung des Modells und mehrfachen massiven Erhöhungen der Rechenkapazitäten. Dies führte zu einer Verbesserung der Prognosen.

Seegang

Europäisches Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF)

Das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage ist der staatenübergreifende, europäische Wetterdienst. Er betreibt die globalen Modelle ECMWF, das Modell WAM zur Vorhersage des Seegangs sowie das Modell MERCATOR zur Darstellung von Strömungen. Die Berechnungen des ECMWF werden weltweit von Meteorologen genutzt und aufgrund ihrer hohen Qualität sehr geschätzt.

Atmosphärisch

Seegang

Strömung

Copernicus Konsortium

Ebenfalls ein europäisches Produkt ist das Strömungsmodell MYOCEAN IBI, das von einem Konsortium mit Namen Copernicus erstellt wird.

High Resolution Limited Area Model (HIRLAM)

HIRLAM ist ein Modell, das ebenfalls von einem Konsortium betrieben wird. Mehrere europäische Staaten haben sich hier zusammengeschlossen, die vornehmlich aus dem skandinavischen und baltischen Raum stammen. Zusätzlich gehören Island, Irland und die Niederlande dazu. Das Modell ist europäisch orientiert und räumlich begrenzt, dafür aber, wie der Name schon sagt, hochauflösend.

Deutscher Wetterdienst (DWD)

Der Deutsche Wetterdienst berechnet die globalen Modelle ICON (Icosahedral Nonhydrostatic Modell) sowie die hochauflösenden Modelle ICOM-EU und COSMO-DE. Das Modellgebiet des COSMO-DE deckt ganz Deutschland, die Schweiz, Österreich und Teile der übrigen Nachbarstaaten ab. Die horizontale Auflösung des COSMO-DE beträgt 2,8 km.

Meteo France

Der französische Wetterdienst heißt Meteo France. Dort werden das globale Modell ARPEGE sowie das hochauflösende Modell AROME für einzelne Regionen berechnet. Zu den AROME-Regionen gehören vornehmlich die französischen Überseedependancen, wie beispielsweise Französisch-Polynesien, Französisch-Guayana oder Neukaledonien sowie natürlich die Karibikinseln Guadeloupe und Martinique. Darüber hinaus betreibt Meteo France ein Modell für den Seegang, das MFWAM (Meteo France WAve Model) heißt.

Atmosphärisch

Seegang

Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI)

Aus den Niederlanden kommt vom Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut das hochauflösende Modell HARMONIE.

Laboratorio di Meteorologia Modellistica Ambientale (LaMMA)

Das Laboratorio di Meteorologia Modellistica Ambientale kommt aus Italien und berechnet das hochauflösende Modell LaMMA für das Mittelmeer und Teile des Schwarzen Meeres.

Canadian Meteorological Centre (CMC)

Das kanadische Canadian Meteorological Centre betreibt das globale Modell GEM sowie das hochauflösende Modell RDPS ST LAWRENCE.

Weitere staatliche Wetterdienste

Daneben gibt es noch zahlreiche weitere regionale Wetterdienste, die Wettermodelle anbieten, diese finden aber in den aktuellen Wetterprogrammen so gut wie keine oder nur sehr vereinzelt Anwendung und werden hier deshalb nicht weiter betrachtet.

Private Wetterdienste

Neben den staatlichen Wetterdiensten gibt es auch einige private Anbieter, die eigene Modelle anbieten:

Meteoblue

Meteoblue ist ein privater Wetterdienst aus der Schweiz und berechnet die Wettermodelle NEMS und NMM. NEMS kommt beispielsweise in der Applikation Windy zum Einsatz.

PredictWind

Das Unternehmen aus Neuseeland errechnet die Modelle PWG und PWE. Das sind eigenständige Modelle, deren Datengrundlage auf den Modellen GFS (PWG) und ECMWF (PWE) basiert.

Great Circle-Squid

Die Firma Great Circle-Squid stammt aus Belgien und bietet Seglern die Software Squid an. In Squid wird neben vielen bereits genannten Modelle auch das eigene Modell GCWF angeboten. GCWF basiert auf Daten des GFS-Modells und wurde nach Aussage von Great Circle-Squid an die Bedürfnisse der Segler angepasst.

WetterWelt

Die Meteorologen der deutschen Firma WetterWelt bieten die Software SEAMAN PRO an und arbeiten nach eigener Aussage mit einer Vielzahl von Modellen mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösungen (einige davon frei verfügbar). Inhouse werden diese optimiert und je nach Region auch eigene hochaufgelöste Modelle für den lokalen Bedarf gerechnet.

Welche Software erlaubt eine Modellauswahl?

Windy

Wie eingangs schon gezeigt, ist Windy eine sehr beliebte kostenlose Applikation. Mit der Anwendung können sehr gut verschiedene Wettermodelle miteinander vergleichen werden. Windy kann sowohl im Browser als auch als App für Android oder iOS betrieben werden.

Je nach Region können die globalen Modelle ECMWF und GFS (NOAA) oder die regionalen Modelle NEMS (Meteoblue), ICON-EU (DWD), NAM (NOAA) und AROME (Meto France) abgerufen werden. Der Seegang kann mit WAM (ECMWF) und WW3 (NOAA) beobachtet werden. Die Software bietet auch eine Vergleichsfunktion. Ein Nachteil für Langfahrtsegler: Windy funktioniert nur mit einer aktiven Internetverbindung!

PredictWind

Die Software PredictWind geht, was die Offline-Funktionalität betrifft, noch weiter. Das speziell für Segler entwickelte Programm kann nicht nur über das Internet Wetterdaten abrufen, sondern, in der Version „Offshore“, auch über Satellitenverbindung oder Kurzwelle. Auch diese Software bietet eine gute Vergleichsfunktion für die Modelle ECMWF und GFS sowie die hauseigenen Produkte PWE und PWG, die auf diesen Modellen basieren.

Der Seegang kann in PredictWind mit WAM (ECMWF), PWE und PWG beobachtet werden. PredictWind ist in der kostenlosen Version allerdings nur eingeschränkt nutzbar. Um die Software im vollen Umfang nutzen zu können sind kostenpflichtige Upgrades nötig.

Great Circle-Squid

Die größte Auswahl an verschiedenen Modellen bietet die ebenfalls speziell für Segler entwickelte Software Great Circle-Squid. In ihr sind die globalen Modelle ARPEGE (Meteo France), GEFS, GFS (beide NOAA), GEM (CMC) und ICON (DWD) sowie die hochauflösenden Modelle AROME (Meteo France), HIRLAM (Konsortium), HARMONIE (KNMI), LaMMA (Konsortium), HRRR, NAM und RAP (alle NOAA) abrufbar. Zudem betreibt die Firma das erwähnte eigene Modell GCWF.

Für den Seegang stehen in Squid die Modelle MFWAM (Meteo France), WAM (ECMWF) und WW3 (NOAA) zur Verfügung. Strömung wird mit MERCATOR (ECMWF) und MYOCEAN IBI (Copernikus Konsortium) ermittelt.

Squid funktioniert auch offline und ist genauso wie PredictWind kostenlos nur eingeschränkt nutzbar. Um das Programm im vollen Umfang nutzen zu können, stehen verschiedene kostenpflichtige Upgrades zur Verfügung.

SEAMAN PRO/WetterWelt

Es gibt auch noch die kostenpflichtige Software SEAMAN PRO der deutschen Firma WetterWelt. Diese Software arbeitet jedoch nur auf Basis eigener Daten und erlaubt keinen Vergleich verschiedener Modelle, daher wird sie hier nicht weiter besprochen.

Fazit

In den letzten Jahren hat sich im Bereich der Wettermodelle viel getan. Als wir 2013 in See stachen, war es noch recht schwierig, an hochauflösende und qualitativ hochwertige GRIB-Files zu kommen. Es gab quasi nur Angebote, die auf dem GFS-Modell der NOAA basierten, und die Prognosen waren mitunter nicht besonders zuverlässig.

Mittlerweile gibt es verschiedene Softwarelösungen, in denen nicht nur GFS-Daten, sondern viele weitere Modelle abgerufen und verglichen werden können. Sowohl unterwegs, also offline, als auch in Landnähe (online).

Auf unserer Reise haben wir festgestellt, dass es schwierig ist zu sagen, welche Modelle die akkuratesten Vorhersagen liefern. Im Nordpazifik war es beispielsweise GFS, im Raum Französisch-Polynesien hingegen ECMWF. Ob das nun an der aktuellen Großwetterlage oder an den unterschiedlichen Berechnungen und zur Verfügung stehenden Messwerten der Regionen lag, war für uns nur schwer ersichtlich.

Unbestritten ist allerdings eine Feststellung: Umso übereinstimmender die verschiedenen Berechnungen der Modelle ausfielen, desto zutreffender war auch die Prognose. Um genauer einschätzen zu können, was uns auf See erwartet und welche Modelle wo dabei helfen, macht es also durchaus Sinn, sich etwas genauer mit dem Thema zu beschäftigen.