Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 1

Wetter, Klima und Fußball

Andreas Hense

Meteorologisches Institut

Universität Bonn

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 2

Einleitung

• Ziele des Vortrags• Daten der Atmosphäre und der Bundesliga• Die Analogien zwischen Atmosphäre und

Bundesliga– Wetter und Spieltage– Großwetterlage und die Saison– Klima und die „Ewige Tabelle“

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 3

Einleitung

• Der Zufall und die Statistik– Wettervorhersage und Fußball-Toto– Langfristvorhersage und die internationalen

Wettbewerbe– Klimavorhersage und die „Ewige Tabelle“

• Wege der Wetter- und Klimavorhersagen durch moderne mathematisch-physikalische Methoden

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 4

Die Ziele des Vortrags

• Darstellung der (überraschenden) Ähnlichkeiten zwischen Fußball und dem atmosphärischen Geschehen

• Bedeutung des Zufalls und die Notwendigkeit von Statistik

• Die heutige Sichtweise der Wetter- und Klimaforschung als ein Gebiet der Angewandten Physik

• Animation zum Studium und zur Weiterbildung

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 5

Die Daten

• Tägliche Summen des Niederschlags Versuchsgut Klein-Altendorf/Meckenheim seit 1958

• Tagesmittel der Temperatur Versuchsgut Klein-Altendorf seit 1958

• alle Bundesliga-Spiele des FC Schalke 04 von 1963/64 bis 1998/99 (ohne 2. Liga)

• alle Bundesliga-Spiele des FC Bayern München von 1965/66 bis 1998/99 – Dr. Th. Hofmeister (Uni Dortmund)

http://ls2-www.cs.uni-dortmund.de/~hofmeister/

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 6

Tordifferenz FC Schalke 04 1963/64 -1998/99

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 7

Tordifferenz FC Bayern München 1965/66-1998/99

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 8

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 9

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 10

Die Analogien

• Luftwirbel einer bestimmten Größe sind vorhersagbar über eine bestimmte Zeit (Lebensdauer)– Zigarettenwirbel über Sekunden– Wolken über Minuten– große Gewitter über Stunden– Wetterwirbel (Hoch/Tiefs) über Tage

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 11

Die Analogien-atmosphärische Skalen

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 12

Die Analogien

• Fußballbewegungen sind nur über bestimmte Zeiten vorhersagbar– individuelle Spielzüge über 1-5 Stationen– Ausgang einzelner Spiele zum nächsten

Spieltag – Ausgang der Liga etwa 1-5 Tage

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 13

Schluß aus den Analogien

• Ein Fußballspiel entsteht aus der Summe vieler Spielzüge – Entstehung eines Zufallselements

• Jahreszeitenmittel entsteht aus der Summe von verschiedenen Hoch- und Tiefdruckgebieten – Entstehung eines Zufallselements

• (Ein Hoch/Tiefdruckgebiet setzt sich aus verschiedenen Wolkenwirbeln zusammen– Entstehung eines Zufallselementes)

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 14

Schluß aus den Analogien

• Vorhersagen (von Fußballspielen und Jahreszeiten) sind Vorhersagen über Statistiken

• in der Meteorologie: Vorhersagen 2. Art• Ableiten des typischen Verhaltens aus bekannten

Randwerten– Ozeanische Wassertemperaturen bestimmen die

Jahreszeiten – Spielstärke einer Mannschaft läßt auf den

Ausgang der Saison schließen (z.B. Meisterschaftsaspirant, potentieller Absteiger)

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 15

Tropische 6 Monatsvorhersagen

Apr-Jun 02

Jul-Sep 02

Oct-Dec 02

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 16

Kicker September 2001

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 17

Ergebnis des Zufallselementes

• Wetterschwankungen– Spielausgang einer Mannschaft (Tordifferenz)

sehr variabel – Niederschlagsmenge/Temperaturabweichung

von Tag-zu-Tag sehr variabel

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 18

Die Skalenkopplung

• Die Summe des täglichen Wetters macht die Jahreszeiten

• mehrere Jahreszeiten (1-10) charakterisieren das kurzfristige Klima (interannuelle Schwankungen)

• viele Jahreszeiten (10-40) charakterisieren das langfristige Klima (interdekadische Schwankungen)

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 19

Die Skalenkopplung

• Die Summe der zufallsbedingten Spielstände bestimmt die aktuelle Position in der Tabelle

• Die Summe über viele Spielzeiten bestimmt die Position in der „Ewigen“ Bundesligatabelle

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 20

Tordifferenz FC Bayern München 1965/66-1998/99

Gleitende Summe über die letzten 34 Spiele

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 21

Tordifferenz FC Schalke 04 1963/64 -1998/99

Gleitende Summe über die letzten 34 Spiele

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 22

Gleitende 30 Tage Mittel

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 23

Extreme Ereignisse

• Extreme Wetterereignisse (z.B. Sturmtiefs) – sind als Einzelereignisse kein Hinweis auf

Veränderungen in längeren Zeitskalen (Klimaänderungen)

• entsprechen z.B. 8:1 Niederlagen / Gewinne– sind als Einzelergebnis kein Hinweis auf

Abstieg oder Meisterschaft

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 24

Extreme Ereignisse

• Langfristige Klimaänderungen– Position in der „Ewigen“ Bundesligatabelle als

Summe aller Punkte über viele Spielzeiten– ändert sich wenig durch Einzelspiele– mittlere Niederschlagssumme über mehr als 10

Jahre– ändert sich wenig durch Einzelereignisse

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 25

Zufall und Statistik

• Fußballergebisse sind stark vom Zufall beeinflußt – Grundlage Fußballtoto/Odd-Set – nur in der Statistik (Summe aller Spielzüge

eines Spiels, Tabelle) wird die Stärke einer Mannschaft sichtbar

– auch eine spielstarke Mannschaft fängt sich während eines Spiels ein Tor ein oder verliert ein ganzes Spiel

– kein Hinweis auf „Klimaänderungen“

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 26

Zufalls und Statistik

• Die gleichen Argumente gelten für Luftwirbel, Wetter und Klima

• Fußballvorhersagen sind nur mit Statistik möglich• Klima- und Wettervorhersagen sind ebenfalls nur

mit Statistik möglich

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 27

Zufall und Statistik

• Fußballvorhersage für den nächsten Spieltag• entspricht der Wettervorhersage für die nächsten

Tage• Vorhersage über den Ausgang einer Saison • entspricht einer Jahreszeitenvorhersage• Vorhersage der Position in der „Ewigen“ Tabelle

in ca. 5 Jahren • entspricht einer Klimavorhersage über 20 (?) Jahre

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 28

Zufalls und StatistikWie gut ist eine (einfache) Vorhersage? T(morgen)=T(heute)

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 29

Zufalls und StatistikWie gut ist eine (einfache) Vorhersage? S04(n.Spieltag) = S04(l.Spieltag)

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 30

Zufalls und StatistikWie gut ist eine (einfache) Vorhersage? Bayern(n.Spieltag) = Bayern(l.Spieltag)

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 31

Zufall und Statistik

• Es ist nicht möglich und sinnvoll, aus den Ergebnissen einer Mannschaft allein eine Vorhersage für den Tabellenstand in einer Woche, einer Saison oder der „Ewigen“ Tabelle zu machen.

• Es ist notwendig, die anderen (benachbarten) Mannschaften zu berücksichtigen

• notwendige Randbedingungen: Summe der Gegentore = Summe der geschossenen Tore

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 32

Zufall, Statistik und Dynamik

• Es ist nicht möglich, aus den Beobachtungen an einem Ort allein, Vorhersagen für den nächsten Tag, die kommende Jahreszeit oder eine Klimaänderung zu machen

• Man muß einen größeren Ausschnitt (die gesamte Atmosphäre) betrachten

• Es gelten Erhaltungssätze (Masse, Energie)

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 33

Zufall, Statistik und Dynamik

• Bei der Betrachtung der 1. Bundesliga über mehr als eine Spielzeit müssen die unteren Ligen mit berücksichtigt werden– Austausch von Mannschaften

• Bei der Betrachtung langer Zeitskalen in der Atmosphäre müssen wir weitere Komponenten des Klimasystems mit betrachten (Ozean, Eis)– Austausch von Masse und Energie

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 34

Zufall, Statistik und Dynamik

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 35

Moderne Wetter- und Klimavorhersagen

• Mathematisches Modell der Atmosphäre (des Ozeans, der Eissphäre)

• Meteorologische Modelle für Wolken und Niederschlag, Strahlung, Verdunstung von Land- und Pflanzenoberflächen uvam

• IT Umsetzung auf Rechner (NEC SX-6 bis PC)• Erhebung der meteorologischen

(ozeanographischen) Daten

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 36

Moderne Wetter- und Klimavorhersage

• Statistisch-dynamische Bearbeitung der Beobachtungen

• Effektive Programmierung (MPP - Rechner)• Meteorologisch-statistische Interpretation der

Ergebnisse

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 37

Zusammenfassung

• Wetter, Klima und Fußball werden stark durch den Zufall bestimmt

• Wetter, Klima und Fußball werden aber auch durch eine Dynamik bestimmt

• Vergleiche Klima/Wetter Probleme mit entsprechendem Fußballbeispiel– wenn letzteres sinnlos ist erstes auch sinnlos– Beachte die Wechselwirkung zwischen den

Systemen

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 38

Ein kleiner Unterschied zwischen Fußball und Wetter/Klima

• Im Gegensatz zum Geosystem gibt es eine streng deterministische Komponenente im Fußball

• entdeckt durch eine Düsseldorfer Arbeitsgruppe um Andreas Frege

Mai 2002 Andreas Hense, JdG-Vortrag 39

Ein kleiner Unterschied zwischen Fußball und Wetter/Klima

• „nur eins weiß ich hundert-prozentig• nie im Leben würde ich zu Bayern gehen“• Bayern-Song der Toten Hosen