Ja, man kann man das Wetter vorhersagen: für die nächste Minute, die nächste Stunde, vielleicht auch für den kommenden Tag. Die derzeitigen Wettervorhersagen werden bis zu 6 Tage im Voraus gemacht. Je weiter man sich aber von der Gegenwart in die Zukunft vorwagt, desto mehr Rechenleistung, Messwerte, Aufwand und vor allem Unsicherheit ist mit der Wettervorhersage verbunden. Es können nur noch Wahrscheinlichkeiten angegeben werden. Großes Problem bei der Wettervorhersage ist neben den durchaus vorhandenen großen Trends die Kleinräumigkeit des Wetters.

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Wikipedia Stichworte: Wettervorhersage, Wetter, Chaos

Das Wetter spielt sich innerhalb unserer Atmosphäre ab. Die Atmosphäre kann als hydrodynamisches System mit einem Satz mathematisch-physikalischer Gleichungen theoretisch recht exakt beschrieben werden. Im Allgemeinen benötigt man zur analytischen Lösung solcher “Differentialgleichungen ” einerseits einen genau bekannten Anfangszustand und andererseits ein geeignetes Lösungsverfahren.

Das vollständige Gleichungssystem der Atmosphäre ist jedoch aufgrund seiner Nichtlinearität (doppelte Ursache ist nicht doppelte Wirkung!) und der vielschichtigen Kopplung einzelner Terme nicht mathematisch lösbar. Gäbe es eine eindeutige Lösung, so könnte man durch eine möglichst genaue Erfassung des Anfangszustandes (d. h. der Feldverteilungen der meteorologischen Größen wie Druck, Temperatur, Feuchte, … zu einem gegebenen Zeitpunkt) langfristige und sehr genaue Wetterprognosen erstellen.

Ein Ziel der Meteorologen ist, das Gitter der Messwerte immer engmaschiger zu machen.

Wetter ist immer jedoch prinzipiell immer mit dem Zufall verbunden. Es sind zu viele Messwerte unbekannt, die das Wetter mitentwickeln, und die Chaostheorie kennt den Schmetterlingseffekt: geringste Änderungen in den Anfangsbedingungen können ganz fundamental unterschiedliche Ergebnisse bewirken.

Die größten und stärksten Computer sind in der Meteorologie (Wetterkunde) im Einsatz.

Selten ist also die Wettervorhersage so verlässlich, wie die Allgemeinheit und verschiedene Fachgebiete es sich wünschen. Dies hängt vor allem mit drei Ursachen zusammen:

1. der unvollständigen Kenntnis des tatsächlichen Geschehens in der Erdatmosphäre (unvollständige Daten bzw. aus einem zu weitmaschigen Netz)

2. dem chaotischen (nicht vorhersehbaren) Anteil im Wettergeschehen

3. der (noch immer) unzureichenden Genauigkeit der rechnerischen Modelle: aus Gründen der Rechenzeit und der großen anfallenden Datenmengen können die beteiligten Luft- und Wassermassen noch nicht mit zufrieden stellender Genauigkeit berücksichtigt werden.

Daher machen lokale Einflüsse wie Gebirge und ihre unregelmäßig geformten Hänge, Effekte unterschiedlicher Einstrahlung durch „falsch“ berechnete Bewölkung, der Bewuchs oder das Gestein so viel aus, dass es kaum 75-prozentige Prognosen über mehr als 3 Tage für einen bestimmten Ort gibt.

Die Theorie der Meteorologie ist zwar durch die Gasgesetze, die Thermodynamik und die Strömungslehre weitgehend geklärt, kann aber durch kleinräumige Effekte von bis zu Kilometer-Dimensionen nicht alle Luftbewegungen mit ausreichender Genauigkeit berechnen. So kann beispielsweise an einem sonnigen Tag die Temperatur über dunklen und hellen Flächen um mehrere Grad differieren, ähnliches tritt zwischen Sonnenseite und Schattenseite eines Gebirgskammes auf oder zwischen Gewässern und festem Boden.

Artikel: DIe Presse vom 5. Dezember 2010

von Vernonika Schmidt

Und wieder fragen alle nach »weißen Weihnachten«…

Anfang Dezember können Meteorologen noch nicht sagen, ob es zu Weihnachten schneien wird. Doch die Wetterprognosen haben sich in den letzten Jahrzehnten stark verbessert: Durch engere Datennetze kann man heute das Wetter für morgen mit einer 90-prozentigen Genauigkeit vorhersagen.

Wer jetzt schon wissen will, ob auch am 24. Dezember Schnee liegen wird, braucht sich nicht an Meteorologen zu wenden. Denn Anfang Dezember können auch die besten Daten und Modelle nicht absehen, wo es „weiße Weihnachten“ geben wird. „Seriöse Aussagen kann man maximal ein, zwei Wochen vorher treffen“, sagt Gerald Spreitzhofer vom Institut für Meteorologie und Geophysik der Uni Wien. Und Michael Staudinger, Direktor der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG), berichtet, dass auch heuer wieder die Telefone auf der Hohen Warte heiß laufen: „Aber man kann erst sieben Tage vor Weihnachten mit einer guten Wahrscheinlichkeit sagen, wie es aussehen wird. Die Spannung ist auch bei uns im Haus sehr groß.“

So kann man derzeit nur auf die Statistik zurückgreifen. „In den letzten 40 Jahren gab es in rund 20 Prozent der Fälle zu Weihnachten Schnee auf der Hohen Warte“, sagt Spreitzhofer. Zwei Mal pro Jahrzehnt also. „Aber 2001 und 2002 waren es nur ein bzw. drei Zentimeter Schnee auf der Hohen Warte, und die liegt höher als der Großteil Wiens. Daher gab es genau genommen 1996 das letzte Mal weiße Weihnachten in der Innenstadt.“ Spreitzhofer präsentierte diese Woche bei einer vom FWF veranstalteten Diskussion eines der Berechnungssysteme, das Meteorologen ermöglicht, „in die Zukunft zu sehen“.

Sicher ist dabei freilich gar nichts. Denn Prognosen arbeiten immer mit Wahrscheinlichkeiten, die auf bestimmte Temperaturen und Niederschläge schließen lassen. Das von Spreitzhofer geleitete Translational-Research-Projekt rund um das System MetGIS legt den Fokus auf Schneeprognosen in Bergregionen – mit hoher räumlicher Auflösung: Das ist besonders wichtig im alpinen Raum. MetGIS wird inzwischen auch in neun Ländern außerhalb Österreichs verwendet und hilft z. B. in den Anden in Chile und Peru, im russischen Kaukasus sowie in den Himalayaregionen Indiens und Bhutans, Temperaturentwicklungen und Niederschläge zu prognostizieren.

Die Nutzer von MetGIS sind nicht ausschließlich Meteorologen, das System bietet auch Organisationen, deren Betrieb bzw. Erfolg von präzisen Wettervorhersagen abhängt, über das Internet folgende Prognosen an: Für die nächsten 48 Stunden kann man auf drei Stunden genau Lufttemperatur, Niederschlagsintensität und Niederschlagstyp (Schnee, Regen, Schneeregen) sowie die Neuschneehöhe, die Höhe der Schneefallgrenze sowie Windgeschwindigkeit und -richtung abrufen.

Die Forscher weisen auf eine Trefferquote von 90 Prozent bei der 24-stündigen Vorhersage für Niederschlagsmengen und auf die präzisen Temperaturvorhersagen hin, die sich bei 36 Stunden im Durchschnitt nur um 1,5 Grad Celsius irren. „Bei der Definition von Trefferquoten stellt sich aber die Frage, ab welcher Ungenauigkeit man etwas als Fehlprognose bezeichnet“, sagt Spreitzhofer. Letzte Woche war man hierzulande etwa von der präzisen Ankündigung des Wintereinbruchs am Wochenende und der starken Schneefälle von Mittwoch bis Freitag beeindruckt.

„Vergleicht man die Qualität der Wettervorhersagen von 1985 mit der von heute, konnte man damals Prognosen für drei Tage mit einer Genauigkeit treffen, wie man es heute für fünf Tage schafft“, sagt Spreitzhofer: „Bei der Niederschlagsvorhersage ist man heute für zwei Tage im Voraus so genau wie vor zehn Jahren für Ein-Tages-Prognosen.“

Die Werte sind auch abhängig davon, ob die Prognose automatisch erstellt wird, oder ob sich Meteorologen die verschiedensten Berechnungsmodelle ansehen und „das Beste daraus machen“, wie Staudinger erklärt. Allgemein beträgt in Österreich die Genauigkeit, mit der das Wetter für den nächsten Tag angekündigt wird, „knapp unter 90 Prozent“.

„Die Schwankungsbreite betrifft Raum und Zeit, und die Definitionen sind sehr heikel“, sagt Staudinger: „Eine Vorhersage, ob es regnen wird oder nicht, ist leichter, als die Temperatur auf ein Zehntelgrad vorherzusagen. Umgekehrt ist es leichter, die Temperatur auf ein, zwei Grad zu prognostizieren als den Niederschlag auf Millimeter genau.“ Die Temperaturvorhersagen haben meist eine höhere Treffsicherheit, weil hier „nur“ die Bewegungen der Luftmassen analysiert werden müssen. Für die Vorhersage von Niederschlag spielen komplexe Parameter mit: welche Prozesse sich vertikal abspielen, wie viel Konvektion es gibt, wie viel Kaltluft und Feuchtigkeit sich in der Höhe befinden. „Das betrifft sämtliche Schichten der Atmosphäre: Im Winter geht das hinauf bis vier, fünf Kilometer, im Sommer sogar bis zu zehn Kilometern.“ Auch die klein strukturierte Topografie Österreichs macht die Vorhersagen nicht leichter. Staudinger: „Es kann passieren, dass in einem Tal ein starker Regenguss niedergeht und im Nachbartal gar nichts ist, weil der Gewitterturm dieses Tal nicht betrifft. Aber beide Täler haben die gleichen Luftmassen mit einem Temperaturunterschied von wenigen Zehntelgrad.“

Wodurch verbesserten sich die Wettervorhersagen in den letzten Jahrzehnten? „Das ist eine Summe von vielen Faktoren“, so Staudinger. Es gibt bessere Daten: Früher wurden von den Messstationen drei Mal am Tag die Daten gesendet, heute im Zehn-Minuten-Abstand. Zudem sind die Radarnetze dichter geworden, die Satelliten schicken mehr und bessere Bilder. Auch die Computermodelle können engmaschiger rechnen als früher: Die Abstände der Gitterpunkte von Berechnungskarten lagen früher bei 150 Kilometern, heute schaffen regionale Modelle eine Genauigkeit von einem Kilometer.

„Auch was zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre passiert, wie viel verdunstet, wie viel Strahlung reflektiert oder absorbiert wird, kann nun wesentlich komplexer beschrieben werden“, so Staudinger: „Dadurch sind wir näher an der Realität. Aber immer noch nicht perfekt“. Für die Messungen sind neben klassischen Wetterstationen auch Radiosonden, die an Ballons über zehn Kilometer in die Höhe steigen, Flugzeuge, Schiffe, Messbojen und Satelliten im Einsatz. Die wissenschaftliche Auswertung der Millionen Daten wird u. a. in Wien auf Österreichs schnellstem Computer durchgeführt: Der Großrechner VSC (Vienna Scientific Cluster) von TU Wien, Boku und Uni Wien bewältigt 35,5 Teraflops (Billionen Rechenoperationen pro Sekunde).

Präzise Vorhersagen des Wetters sind für viele Berufsgruppen ausschlaggebend: „Dass Verkehrsleitzentralen und Lawinenwarndienste an Schneeprognosen interessiert sind, ist ohnehin klar“, sagt Spreitzhofer. Doch auch Energieversorgungsunternehmen wollen wissen, wann ihre Speicherkraftwerke voll sein müssen und wann sie die Produktion für Heizenergie drosseln können. Viele Versicherungsanstalten haben selbst Meteorologen beschäftigt, um von den Kapriolen des Wetters und von Schäden nicht überrascht zu werden. Und auch im Gesundheitswesen kann je nach Wetterlage die Personalfrage geregelt werden: Laut einer englischen Studie werden an Tagen mit Schnee und Eis um acht Prozent mehr Unfallopfer als sonst in Notfalleinrichtungen eingeliefert.