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Ausbildungsseminar Wetter und Klima Wettervorhersage & Wetterdienst von Martin Birke 24. November 2009 Universität Regensburg Fakultät Physik

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Ausbildungsseminar Wetter und Klima

Wettervorhersage & Wetterdienst

von

Martin Birke

24. November 2009

Universität RegensburgFakultät Physik

Inhaltsverzeichnis1 Geschichte der Wettervorhersage 2

1.1 Brandes Beitrag zur modernen Wettervorhersage . . . . . . . . . 21.2 Bjerknes Beitrag zur modernen Wettervorhersage . . . . . . . . . 31.3 Richardsons Versuch einer numerischen Wettervorhersage . . . . 31.4 Der Durchbruch in der Wettervorhersage . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Der Deutsche Wetterdienst 42.1 Geschichte der Wetterdienste in Deutschland . . . . . . . . . . . 42.2 Deutscher Wetterdienst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Andere Wetterdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Messung von meteorologischen Daten 63.1 Messen der Wetterelemente in Bodennähe - Wetterstation . . . . 63.2 Messen der Wetterelemente in der Atmosphäre . . . . . . . . . . 8

3.2.1 Radiosonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2.2 Wetterradar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2.3 Windprofiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.4 Wettersatelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.5 Weitere Verfahren zur Datenbeschaffung . . . . . . . . . . 11

3.3 Messnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.4 Auswertung der Daten - Archivierung - Klimadiagramme . . . . 123.5 Wetterkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 Wettervorhersagen und deren Probleme 134.1 Numerische Wettervorhersage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.2 Probleme bei der Wettervorhersage . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.3 Instabilität im Wettergeschehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.4 Nowcasting (0h-2h) - Synoptische Meteorologie . . . . . . . . . . 154.5 Kurzfristvorhersage (12-27h) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.6 mittelfristige Wettervorhersagen (72h bis 10d) . . . . . . . . . . . 154.7 Langfristvorhersagen (ab 10d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.8 Prognoseprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.9 Statistische Güteabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.10 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

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1 Geschichte der WettervorhersageWetterbeobachtungen waren schon im Altertum wichtig, weil die Menschen vonTemperatur und Niederschlag abhängig waren (Landwirtschaft, Schifffahrt).Das erste Buch der Wetterkunde wurde von Aristoteles ca. 350 v. Chr. ver-fasst. (Fachwörter wie: Tromben, Taifun gehen auf ihn zurück).Instrumentelle Wetterbeobachtungen waren erst durch die Erfindung des Ther-mometers (Galilei und Drebbel :1592) und des Barometers (Toricelli: 1643) mög-lich. Damit waren erste Wettervorhersagen aufgrund von Messungen möglich.(fallender Druck → Regen ; steigender Druck → Wetterbesserung).

1.1 Brandes Beitrag zur modernen WettervorhersageBis ca. 1850 war es das Ziel der Geographen, Kartographen oder Physiker, diesich mit dem Wetter beschäftigten, Jahresmittelwerte von Temperatur, Luft-druck und Luftfeuchte zu messen. Mit diesen Mittelwerten wollte man das Wet-ter individuell für jeden Ort vorhersagen. Heinrich Wilhelm Brandes (1777-1856)wollte das Wetter von ganz Europa für alle 365 Tage auf Karten darstellen. Ererhielt von der Pfälzer Gesellschaft für Meteorologie alle Daten des Jahre 1783von 40-50 Orten zwischen den Pyrenäen und dem Ural und erstellte für jedenTag eine Wetterkarte. Er erkannte als erster Gebiete zusammenhängenden Wet-ters und die Zugbahnen der Tiefdruckgebiete. Das Neue an seiner Idee wurdedamals nicht verstanden.

Abbildung 1: Wetterkarte aus dem Jahr 1783

Der erste Wetterdienst entstand aus militärischen Überlegungen heraus. ImKrimkrieg (1853-1856) zwischen Russland und dem osmanischen Reich wurdedie Flotte der Türkei und deren englisch-französischen Verbündeten von einemSturmtief überrascht, worauf sie einige Schiffe verlor. Kaiser Napoleon III (1808-1873) veranlasste daraufhin diese Wetterereignisse zu untersuchen. Es stellte sichheraus, dass dieses Ereignis vorausgesagt hätte werden können und die Flotte

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telegraphisch gewarnt hätte werden können. Es wurde die Einrichtung einesersten Wetterdienstes beschlossen, um in Zukunft vor solchen Wetterereignissenbesser gewarnt zu sein.

1.2 Bjerknes Beitrag zur modernen Wettervorhersage1904 betrachtete Bjerknes das Problem der Wettervorhersage vom Standpunktder Mechanik und der Physik. Er meinte, dass man das Wetter unter folgendenVoraussetzungen prinzipiell berechnen kann:

• Man muss mit hinreichender Genauigkeit den Zustand der Atmosphäre zueiner gewissen Zeit kennen.

• Man muss mit hinreichender Genauigkeit die Gesetze kennen, nach denensich der eine atmosphärische Zustand aus dem anderen entwickelt.

1.3 Richardsons Versuch einer numerischen Wettervor-hersage

1910 findet Richardson eine Näherungslösung, die eine Wetterberechnung er-möglicht. Er hatte relativ viele Daten aus der dritte Dimension, weil am 20.Mai 1910 der internationale Ballon Tag war, an dem viele Messungen durchge-führt wurden.

Abbildung 2: "Rechenmaschine"mit 64000 Menschen

Richardson benötigte für eine Luftdruckprognose des 20.Mai 1910 11 Jahre.Um die Rechenzeit zu verkürzen gab es Überlegungen 64000 Frauen (rechnengenauer) in einem Raum rechnen zu lassen, aber selbst das wäre wohl zu langsamgewesen. Richardson errechnete eine Luftdruckänderung von 145 hPa, was sehrweit von der wirklichen Luftdruckänderung (< 1hPa) entfernt war. Nach seinemScheitern fasste er seine Methode und seine Resultate in einem Buch zusammen.Daraufhin beschäftigte sich 2 Jahrzehnte niemand mehr mit diesem Thema.

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1.4 Der Durchbruch in der WettervorhersageCharney und Neumann berechneten 1950 mit einem sehr einfachen Modell undMit Hilfe der ersten Computer die erste Wettervorhersage, die richtige Wertelieferte. Sie benutzten den ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Com-puter) der US Armee. Dieser Großrechner beherrschte Addition, Subtraktion,Multiplikation, Division und Quadratwurzelziehen. 1958 begann das US Wea-ther Bureau mit der Erstellung von Höhenwetterkarten der gesamten Nord-halbkugel für die 3 Tages Vorhersage. Schnell wurde klar, dass die numerischeWettervorhersage der Wetterbeobachtung überlegen war.

Abbildung 3: ENIAC

2 Der Deutsche Wetterdienst2.1 Geschichte der Wetterdienste in DeutschlandMitte des 17. Jahrhunderts begann in Deutschland die systematische Erfor-schung und Beobachtung des Wetters mit der Entwicklung von Meßinstrumen-ten, die erstmalig eine quantitative Erfassung der Wetterdaten ermöglichten. Dieälteste Meßreihe in Deutschland stammte von S.Reyher (1679-1714), der 4 maltäglich Luftdruck, Temperatur, Feuchte, Wind und Himmelsansicht bestimm-te. 1780 wurde in Mannheim die Societas Meteorologica Palatina gegründet,die als erster Wetterdienst gilt. Diese Gesellschaft richtete das erste Beobach-tungsnetz ein, wobei einheitliche Instrumente und gleiche Beobachtungszeiten(Mannheimer Stunden, 7 14 und 21 Uhr) festgelegt wurden. Meilenstein in dersynoptischen Meteorologie war die Erfindung des Telegraphen, weil damit dieErstellung aktueller Wetterkarten möglich wurde (Weltausstellung 1851 in Lon-don erstmals vorgeführt). Erst ab Mitte des 19. Jahrhunderts entstanden inDeutschland regionale Wetterdienste, welche 1934 zum Reichswetterdienst zu-sammengefaßt wurden. Nach Kriegsende wurden in allen 4 Besatzungszoneneigene Wetterdienste gegründet. Aus den Wetterdiensten der 3 westlichen Be-satzungszonen ging 1952 der Deutsche Wetterdienst (DWD) hervor.

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2.2 Deutscher WetterdienstDer Deutsche Wetterdienst ist der meteorologische Dienst der BundesrepublikDeutschland mit Hauptsitz in Offenbach amMain. Er ist in staatlicher Hand unddem Verkehrs-Ministerium unterstellt. Der DWD hat das dichteste und größtemeteorologische Messnetz in Deutschland. Er betreibt 173 hauptamtliche Wet-terstationen (100 mit Personal besetzt ), welche stündlich Temperatur (Luft-und Bodentemperatur), Luftdruck, Luftfeuchte, Sonnenscheindauer, Wind undNiederschlag messen. Des weiteren gibt es 2400 nebenamtliche Stationen, dieteilweise von ehrenamtlichen Wetterbeobachtern betreut werden. Die Hauptauf-gabe des DWD ist, vor wetterbedingten Gefahren (Hitze, Kälte Überschwem-mungen, Unwetter, Erdbeben,...) zu warnen sowie das Klima in Deutschland zuüberwachen. Außerdem betreibt der DWD das Klimaarchiv der BundesrepublikDeutschland, in dem alle Wetterdaten archiviert werden. Zu den wichtigstenAufgaben des DWD gehören:

• Erbringung meteorologischer Dienstleistungen

• Meteorologische Sicherung der Luft- und Seefahrt

• Herausgabe von amtlichen Warnungen über Wettererscheinungen

• Kurzfristige und langfristige Erfassung, Überwachung und Bewertung dermeteorologischen Prozesse

• Erfassung der meteorologischen Wechselwirkung zwischen der Atmosphäreund anderen Bereichen der Umwelt

• Vorhersage der meteorologischen Vorgänge

• Überwachung der Atmosphäre auf radioaktive Spurenstoffe

• Betrieb der erforderlichen Mess- und Beobachtungssysteme

• Bereithaltung, Archivierung und Dokumentierung meteorologischer Datenund Produkte

In der Agrarmeteorologie erstellt der DWD Vorhersagen, die speziell auf dieLandwirtschaft ausgelegt sind. Dieser Wirtschaftszweig (Land/Forstwirtschaft,Obstbauern, Winzer) ist besonders stark vom Wetter abhängig. Die Luftfahrtist in besonderem Maße auf das aktuelle Wetter und dessen Vorhersagen an-gewiesen. Zuverlässige und aktuelle Wetterinformationen tragen wesentlich zurErhöhung der Sicherheit und Effizienz in der Luftfahrt bei. Eine weiter Ab-teilung des DWD ist die Klima- und Umweltberatung. Dabei geht es darumPlanungsgutachten zu erstellen, um zu erfahren wie die klimatische Eignungeines Ortes für z.B. Windkraftanlagen ist, oder ob an einem Ort vermehrt mitUnwetter zu Rechnen ist. In der Biometeorologie werden die Zusammenhängezwischen atmosphärischen Prozessen und lebenden Organismen erforscht. DieHydrometeorologie befasst sich mit den Wechselwirkungen des GesamtsystemsAtmosphäre und Hydrosphäre. Darunter fällt auch der Hochwasserschutz unddie Nutzung der Wasserressourcen. Die maritime Meteorologie befasst sich mitdem Wetter auf den Meeren. Der Seewetterbericht und die individuelle Wetter-beratung sind besonders wichtig für einen sicheren Schiffsverkehr. Diese Bereichegehören alle zur angewandten Meteorologie. Der DWD betätigt sich auch in derForschung. Die Schwerpunkte liegen dabei in den folgenden Bereichen:

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• Entwicklung numerischer Wettervorhersagemodelle

• Anschlußverfahren zur Interpretation der Modellergebnisse

• Klimatologische Beschreibung der Atmosphäre durch satellitengebundeneFernerkundungsverfahren

2.3 Andere WetterdiensteDie WMO (World meteorological Organization) besteht aus 185 Staaten, diejeweils einen eigenen Wetterdienst betreiben. Ziel der WMO ist eine weltwei-te Zusammenarbeit bei der Einrichtung von Stationsnetzen für meteorologischeBeobachtungen. Jeder Wetterdienst ist auf globale Wetterdaten angewiesen, umdas regionale Wettergeschehen zu beurteilen und vorherzusagen. Meteoalarm isteine europäische Organisation, die vor extremen Wetterlagen (Starkregen mitHochwassergefahr, schweren Gewittern, Sturmböen, Hitzewellen, Waldbrände,Nebel, Schnee) warnen will. Dazu werden die Daten der nationalen Wetter-dienste in Europa zusammengeführt. Neben den staatlichen Wetterdiensten gibtes auch private Wetterdienste, die meist nur Wettervorhersagen erstellen (z.B.Flugwetterdienste an Flughäfen) und auch ein eigenes Messnetz haben. Diebekanntesten privaten Wetterdienste sind: Meteomedia,Wetteronline, Donner-wetter, Top-Wetter, Meteo Group, Q-Met .

3 Messung von meteorologischen Daten3.1 Messen der Wetterelemente in Bodennähe - Wetter-

stationUm die Wetterelemente in Bodennähe zu messen wird eine Wetterstation ver-wendet. Kernstück ist die Wetterhütte, die 2m über dem Boden stehen soll.Sie besteht aus winddurchlässigen Lamellenwänden um nicht der direkten Son-neneinstrahlung ausgesetzt zu sein. Für das Aufstellen der Hütten und allerGeräte gibt es genaue Vorschriften der WMO. Jede Wetterhütte ist mit einemLuftfeuchtigkeitsmessgerät (Psychrometer) , einem Maximum- und Minimumt-hermometer und einem Thermohygrograph ausgestattet. Ein Psychrometer be-

Abbildung 4: Wetterstation

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steht aus zwei Thermometern, von denen eines in ein feuchtes Material gehülltist (z.B. feuchtes Baumwolltuch). Je trockener die Luft ist, desto schneller ver-dunstet die Flüssigkeit, desto mehr Verdunstungskälte wird hervorgerufen unddesto größer ist die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermometern.Aus der Temperaturdifferenz kann man die relative Luftfeuchtigkeit ermitteln.Bei der Messung muss besonders darauf geachtet werden, dass das Feuchttermo-meter gut belüftet wird, um zu verhindern, dass der entstandene Wasserdampfdie Verdunstung behindert. Dieses Messprinzip erreicht eine sehr hohe Genau-igkeit (+/- 0,5%).Der Thermohygrograph zeichnet den zeitlichen Verlauf von Lufttemperatur undLuftfeuchtigkeit auf. Dazu wird das temperaturabhängige Verbiegen eines Bime-tallstreifens und die Luftfeuchtigkeit auf einen Schreibarm übertragen, der dieErgebnisse auf einer Papiertrommel aufzeichnet. Der Luftdruck wird mit einemDosenbarometer gemessen. Eine Metalldose, dessen Inneres evakuiert ist ver-ändert ihr Volumen, wenn sich der Luftdruck ändert. Diese Volumenänderungwird an einem Zeiger angezeigt. Zu einer Wetterstation gehört auch das Bo-denmeßfeld mit weiteren Thermometern zur Meßung der Erdbodentemperatur,einen Regenmesser und einer planierten Stelle zur Meßung der Schneehöhe.

Abbildung 5: Anemometer

Windmeßgeräte sollen mindestens 10m über die benachbarten Bäume oderHäuser reichen. Man misst die Windrichtung (Messung mit Fahne) und dieWindgeschwindigkeit (Messung mit Schalensternanemometer).Um den 3-dimensionalen Windvektor zu bestimmen verwendet man ein Ultra-schallanemometer (1996 erfunden). Dieses Gerät sendet von jedem der vier Sen-soren Ultraschallwellen an die drei anderen Sensoren aus, wobei der Wind dieSchalwellen sowohl horizontal als auch vertikal versetzt, so dass der Schall ent-sprechend zeitverzögert den nächsten Sensor erreicht. Aus dieser Verzögerungberechnet die Messelektronik die horizontale und vertikale Windgeschwindig-keit. Besonders interesseant ist dabei die vertikale Windgeschwindigkeit, weilsie mit herkömlichen Windmessern nicht gemessen werden kann, aber für dienumerische Wettervorhersage einen wichtige Messgröße ist. Weitere Vorteile des

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Ultraschallanemometer sind die höhere Genauigkeit und das Fehlen von Träg-heit im System.

Abbildung 6: Kombinierter Temperatur und Feuchtigkeitssensor

Bei analogen Stationen müssen die Messwerte täglich um 7, 14 und 21 Uhrabgelesen werden. Bei digitalen Wetterstationen werden die Daten automatischan einen PC übertragen. Die meisten Wetterstationen sind heute digitale Wet-terstationen. An den besetzen Wetterstationen (Wetterwarten) wird auch nochdie Art und Anzahl der Wolken festgehalten, die Wolkenuntergrenze, sowie dieSichtweite gemessen. Zur Sichtweitenmessung werden auch Transmissiometer(Messung der Extinktion, d.h. des Lichtverlustes durch Trübung) eingesetzt.An den vollständig ausgerüsteten Wetterstationen werden außerdem die Strah-lungskomponenten gemessen. Die von der Sonne kommende kurzwellige Strah-lung wird in der Atmosphäre gestreut und erwärmt die Erd- und Wasserober-fläche. Der Erwärmung entsprechend steigt die Temperatur und die Oberflächesendet langwellige Strahlung aus. Man misst folgende Komponenten:

• Direkte Sonnenstrahlung und diffuse Himmelsstrahlung (fällt bei der Streu-ung in der Atmosphäre auf die Erde)

• atmosphärische Gegenstrahlung (von der Atmosphäre emmitierte und aufdie Erde treffende Wärmestrahlung)

• Ausstrahlung der Erdoberfläche

• reflektierte kurzwellige Strahlung

Einige Wetterstationen mit Personal messen noch zusätzliche Wetterdaten,z.B. Ozon, Zusammensetzung der Atmosphäre, Radioaktivität,...

3.2 Messen der Wetterelemente in der Atmosphäre3.2.1 Radiosonde

Die Messung von Wetterdaten auf der Erdoberfläche reicht nicht aus um das ge-samte Wettergeschehen zu erfassen. Man benötigt Daten aus höheren Schichten

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der Atmosphäre. Um 1900 hat man begonnen mit Flugzeugen und Heißluftbal-lonen erste Messungen durchzuführen.

Abbildung 7: Wetterballon

Regelmäßige Messungen ermöglichte erste die Radiosonde ab 1927. Dabeifunkt ein Kurzwellensender, der von einem Wetterballon getragen wird laufendDaten an die Bodenstation. Dadurch war es erstmals möglich täglich Höhenwet-terkarten zu erstelen. Heute werden mit der Radiosonde Temperatur Luftdruckund Luftfeuchte bestimmt. Mit einem Radar (oder GPS Gerät) wird die Positi-on des Ballons bestimmt und daraus Windrichtung und Windstärke bestimmt.Der Ballon erreicht eine Höhe von 25-30 km bis er platzt. In Deutschland werdenalle 12 Stunden an 10 Wetterstationen Radiosonden in den Himmel geschickt.Weltweit gibt es ca. 1000 Wetterstationen, die regelmäßig Messungen mit Ra-diosonden durchführen.

3.2.2 Wetterradar

Das Wetterradar (RADAR = RAdio Detecting And Ranging) wird zur Erfas-sung von Niederschlag verwendet. Der DWD unterhält ein Netzt von 16 Radar-anlagen.

Abbildung 8: Radarstation

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Die Antenne des Radarsystems strahlt einen auf ca. 1◦ gebündelten, elek-tromagnetischen Puls von bekannter Frequenz, Länge und Leistung ab. Nie-derschlagsteilchen streuen diese Energie und senden sie teilweise zur Antennezurück. Aus der Laufzeit des Empfangssignals lässt sich die Entfernung bestim-men. Neben der Intensität der rückgestreuten Signale erfassen die Radaranlagenüber die Dopplerverschiebung auch die mittlere radiale Geschwindigkeit der Nie-derschlagsteilchen. Aus der Echo Intensität P erhält man Informationen zu denNiederschlagsintensitäten J [ml/h] und zur Entfernung der NiederschlagsgebieteR [m]. k ist eine Gerätekonstante und n hängt vom Rückstreuprozess ab.

P = kJn

R2

Aus den gemessenen Daten werden vor Ort auswertbare Bilder produziert.Dieses Verfahren eignet sich sehr gut um kurzfristige Prognosen (Nowcasting)zu erstellen, weil man die Zugbahnen der Wolken verfolgen kann.

3.2.3 Windprofiler

Mit Hilfe von Radar lässt sich auch die Windrichtung und die Windgeschwindig-keit messen. Dazu verwendet man Windprofiler. Bei diesem Verfahren werdenelektromagnetische Impulse (482 MHz) in mindestens 3 verschiedenen Strahl-richtungen ausgesandt. Die rückgestreuten Wellen erfahren dabei in Abhängig-keit von der durch den Wind bestimmten Bewegung der turbulenten Struktureneine Frequenzverschiebung (Dopplereffekt). Daraus lässt sich der gesamte Wind-vektor berechnen.

Abbildung 9: Windprofiler

Meteorologische Daten werden auch von Linienflugzeugen bei Start und Lan-dung im Höhenbereich bis 12 km gewonnen. Durch das europäische Flugzeug-messsystem (E-AMDAR (European Aircraft Meteorological Data Relay) ) wer-den täglich Lufttemperatur, Windrichtung und Windgeschwindigkeit von 650Flügen aufgenommen.

3.2.4 Wettersatelliten

Wettersatelliten werden zur Beobachtung der meteorologischen Vorgänge aufder Erde eingesetzt. Einer ihrer großen Vorteile ist, dass sie auch von wenig er-schlossenen Gebieten (Ozeane, Wüsten) Informationen liefern. Wettersatellitenbefinden sich auf geostationären Umlaufbahnen (36000 km) und auf polumlau-fenden Umlaufbahnen (800km-1500km).

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Abbildung 10: Satellit Meteosat

Mit den geostationären Satelliten ist es möglich die zeitliche Entwicklungvon Wettersystemen anzuzeigen, weil der Satellit von der Erde aus gesehenortsfest ist. Ein Satellit tastet ca. ein Drittel der Erdoberfläche in zwölf Spek-tralbereichen (0,6 bis 13,4 µm) ab. Darunter sind z.B. die Absorptionsbandenvon Wasserdampf (6.3µm und 7.2µm) um die Luftfeuchtigkeit zu bestimmen,Ozon (9.7µm) und Kohlendioxid (13.4µm). Durch die Bestimmung des Strah-lungsmaximums von Wolken oder von der Erdoberfläche kann deren Temperaturbestimmt werden. Indem man den Planetenrand scannt kann man die Atmo-sphäre wie eine Schicht durchleuchten und die Gaskonzentration in der Atmo-sphäre bestimmen. Um die ganze Erde zu erfassen sind mehrere geostationäreSatelliten nötig, da jeder nur maximal 2/5 der Erdoberfläche abdeckt, wobeidie Auflösung nur direkt unter dem Satelliten am besten ist. Durch Beobach-ten der Satellitenbilder sind sehr gute kurzfristige Prognosen möglich. TropischeWirbelstürme können vorhergesagt werden. Zum Betrieb von Wettersatellitentragen momentan Europa die USA, Russland, China, Indien und Japan bei.

3.2.5 Weitere Verfahren zur Datenbeschaffung

Der DWD betreibt außerdem ein Wetterbeobachtungsnetzwerk (WeBoKaN).Dabei handelt es sich um ein Kammeranetzwerk, dass vollautomatisch digitaleBilder und Filme des Wettergeschehens bereitstellt. Weitere meteorologischeGeräte:

• Blitzortungssysteme können Blitze auf etwa 100m genau orten. Für Wet-tervorhersagen liefern sie wichtige Information, nämlich wo und wie oftBlitze auftreten. Daraus kann auf sich verstärkende und vergehende Ge-witter geschlossen werden.

• Raman lidar for Atmospheric Moisture SenSing (Ramses): ist ein LaserRadar System, dass Wasserdampf -Vertikalprofile mit sehr guter Auflö-sung liefert. Man strahlt mit einem Laser, der von den Wolken teilweisereflektiert wird, in die Atmosphäre. Aus der zurückkommenden Intensitätund der Laufzeit des Laserstrahls kann man kann man dann die Verteilungdes Wasserdampfes bestimmen.

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• Fourier-Transformations-InfraRot-Spektrometer (FTIR): Messung des Spek-trums der atmosphärischen Strahlung im Bereich von 3,3µm bis 20µm.Man erhält Feuchte und Temperaturprofile der unteren Troposphäre. DasGerät arbeitet nach dem Prinzip des Michelson Interferrometers. Hierbeiwird das Licht der Atmosphäre durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrah-len aufgespalten, die, nachdem der eine über einen beweglichen, der an-dere über einen feststehenden Spiegel reflektiert wurde, gleichzeitig aufeinem Detektor nachgewiesen werden. Die Messerfassungselektronik er-fasst somit als Funktion der Position des beweglichen Spiegels die durchInterferenz hervorgerufenen Intensitätsschwankungen, das sogenannte In-terferogramm. Durch Fourier-Transformation wird anschließend aus die-sem Interferogramm ein Spektrum der atmosphärischen Strahlung, d. h.die Intensität als Funktion der Wellenlänge berechnet.

• Mit Hilfe des GPS (Global Positioning System) kann man den Gesamtwas-sergehalt der Atmosphäre bestimmen. Dabei kann die Position des Nutzerstheoretisch bis auf wenige Millimeter genau bestimmt werden, jedoch wirddiese Güte durch die ungleichmäßige Zusammensetzung der Atmosphärenicht erreicht. Vor allem die Luftfeuchtigkeit verursacht Abweichungen.Diese Abweichungen kann man Nutzen um daraus den Gesamtwasserge-halt auf der Strecke GPS-Nutzer - Satellit zu messen.

3.3 MessnetzeWorld Weather Watch (WWW) ist das größte Beobachtungsnetz der Erde:

• 10000 bemannte oder automatische Boden-Landstationen

• 7000 Handelsschiffe setzen während ihrer Fahrt auf den Ozeanen regelmä-ßig Schiffswettermeldungen ab

• 3000 kommerzielle Flugzeuge erstellen während ihres Fluges Wetterinfor-mationen

• Etwa 1000 Radiosondenstationen weltweit

• Mehr als 1000 im Ozean driftende Bojen, die ihre Meldungen via Satellitabsetzen

• Über 500 Wetterradarstationen für Niederschlagsbeobachtung

• Geostationäre und polumlaufende Satelliten

Die Datenflut wird von 3 Weltzentren (Washington, Moskau, Melbourne) sowieetwa 25 Regionalzentren (Offenbach,...) über das GTS (Global Telecommunica-tion System) und das Internet verteilt und aufbereitet. Innerhalb von wenigenMinuten ist es möglich von jeder Station der Erde die gewünschte Meldung zuerhalten

3.4 Auswertung der Daten - Archivierung - Klimadiagram-me

Alle gewonnenen Daten werden vom DWD einer Qualitätsprüfung unterzogenund in der Datenbank gespeichert. Dabei wird in einem ersten Schritt geprüft

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ob die Daten vollständig sind und die nötigen Grenzwerte einhalten ( z.B. Obdie Temperatur in einem vernünftigen Bereich liegt). Einmal täglich werden dieDaten (z.B. Einer Wetterstation) mit anderen Daten (Wetterradar, Wettersatel-lit,...) der selben Region verglichen, um die Daten zu bestätigen oder einzelneWerte gegebenenfalls zu löschen. Derselbe Prüflauf wird auch mit den Dateneines Monats durchgeführt.

Aus den Temperatur und Niederschlagswerten eines Jahres werden Klima-diagramme berechnet. Dabei berechnet man Tages- Monats- und Jahresmittel-werte um Veränderungen im Klima zu erkennen. Bei der Temperatur verwendetman eine besondere Mittelwertbildung um die fehlende Nachtmessung zu kom-pensieren.

TMittel = T7 + T14 + 2T21

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Abbildung 11: Klimadiagramm von Regensburg

3.5 WetterkartenDie gemessenen Wetterdaten (Temperatur, Luftdruck, Windstärke, Windrich-tung,...) werden in Wetterkarten eingezeichnet. Bodenwetterkarten beziehenihre Daten hauptsächlich aus Wetterstationen. Höhenwetterkarten entstehenhauptsächlich durch Wetterballonmessungen, Wetterradar und Wettersatelliten.Aktuelle Wetterkarten werden für Wettervorhersagen verwendet.

4 Wettervorhersagen und deren Probleme4.1 Numerische WettervorhersageDie Grundlage jeder Aussage über die Wetterentwicklung in den nächsten Stun-den oder Tagen ist die Diagnose des dreidimensionalen atmosphärischen Zu-stands zum Ausgangszeitpunkt. (Boden- und Höhenwetterkarten, Radar undSatellitendaten). Ausgehend von dem atmosphärischen Zustand zu einem An-fangszeitpunkt wird der Zustand zu einem späteren Zeitpunkt berechnet. Dabeiwerden die Gleichungen, die das Wettergeschehen beschreiben (Hydrodynamikund Thermodynamik) numerisch gelöst.

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7 Größen werden bei der numerischen Wettervorhersage verwendet um den Zu-stand der Atmosphäre zu beschreiben (3 Windkomponenten u,v,w [m/s] , Dichteρ [kg/m3], Temperatur T [K], Luftdruck p[mbar], (Bei feuchter Luft die spezi-fische Feuchte q)).

Die Wettervorhersage ist ein Anfangswertproblem, dass in drei Schrittengelöst wird:

1. Bestimmung des aktuellen Zustands der Atmosphäre (Analyse)

2. Simulation der wahrscheinlichen Entwicklung des Zustandes durch nume-rische Integration der physikalischen Grundgleichungen (Modell)

3. Analyse der Modellergebnisse für den Nutzer (Ergebnis)

4.2 Probleme bei der WettervorhersageAuch bei perfekten Prognosemodellen gibt es Fehler auf Grund von mangeln-der Kenntnis des Anfangszustands der Atmosphäre. Zum einen sind die Was-seroberflächentemperatur aller Ozeane sowie die Meereisbedeckung nicht mithinreichender Genauigkeit bekannt. Zum anderen haben die Wetterfachleutenur mangelnde Informationen zum weltweiten Erdbodenzustand (Vegetation,Feuchte). Diese ganzen Parameter sind aber sehr wichtig für die Modellbildungin der numerischen Wettervorhersage.Außerdem gibt es relativ wenige Windmessungen, so dass das Windfeld aus demDruckfeld näherungsweise berechnet werden muss. Des Weiteren gibt es großeFehler bei der Messung von Niederschlag und Verdunstung an der Erdoberfläche(Regenmesser ungenau wegen Spritzer, Windfehler, Verdunstungsfehler). Auchbeim Wetterradar gibt es häufig Fehlmessungen. Es kann z.B. ein schwacherNiederschlag gemessen werden, der in der Luft schon wieder verdunstet undsomit den Erdboden gar nicht erreicht. Ganz feiner Niederschlag (Sprühregen)reflektiert nur einen geringen Teil der Radarstrahlung der manchmal gar nichtdetektiert wird.Einige Beobachtungen haben eine Unsicherheit hinsichtlich ihrer raum-zeitlichenRepräsentativität. Darunter versteht man, dass es wegen der sich meist tur-bulent abspielenden Wettervorgänge kaum möglich ist "typische", ungestörteMessdaten zu bekommen. (z.B. Einfluss von Städten auf Temperatur, Wind).Es gibt kaum Daten über die vertikale Windgeschwindigkeit, welche ungefährum einen Faktor 1000 geringer ist als die horizontale Komponente (nur wenigeForschungseinrichtungen messen die senkrechte Windkomponente der aller un-tersten Luftschicht mit dreidimensionalen Windmessern). Darum ist man dazugezwungen in der Modellrechnung die hydrostatische Näherung zu verwenden.In dieser Näherung legen die horizontalen Windkomponenten und der Luftdruckdie senkrechte Windkomponente fest.

4.3 Instabilität im WettergeschehenStabil wird ein Zustand genannt, bei dem Änderungen zwar auftreten, amGrundzustand aber nichts Wesentliches ändern. (lineares Wirkungsprinzip: klei-ne Ursache → kleine Wirkung). Instabilität liegt dann vor, wenn (sogar sehrkleine) Änderungen eine Rückkehr zum vorangegangenen Zustand verhindern.

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Das Wetter verhält sich teilweise instabil. Kleinräumige Störungen sind in derLage immer größere Maßstabsbereiche zu infizieren. Es kann also z.B. eine Luft-verwirbelung eines Autos ein Tiefdruckgebiet beeinflussen. Kleine unwesentlicheÄnderungen haben unter Umständen katastrophale Auswirkungen. Das machtes unter anderem so schwer das Wetter vorher zusagen.→ Der maximal erreichbare Vorhersagezeitraum für eine numerische Wettervor-hersage beträgt ca. 2 Wochen.

4.4 Nowcasting (0h-2h) - Synoptische MeteorologieBei dieser Art der Vorhersaage bekommt der Wetterberater sämtliche erreichba-ren Wetterinformationen um daraus eine Vorhersage zu erstellen. Dabei extrapo-liert er die horizontalen und vertikalen Verlagerungen und schätzt die Intensitätbereits vorhandener oder gerade entstehender Wettersysteme (Schauer, Gewit-ter, Schneefall) ab. Er muss das gesamte Wettergeschehen der letzten Stun-den anhand von Radar- und Satellitenbildern nachvollziehen können. Außerdemmuss er die klimatischen Besonderheiten eines Ortes oder einer Region kennenund in seine Prognose einbeziehen. Die quantitative Niederschlagsvorhersage istbesonders schwierig durch die kurze Lebensdauer der Niederschlagsereignisse.

4.5 Kurzfristvorhersage (12-27h)Dazu verwendet der Meteorologe numerische Vorhersagekarten für Boden- undHöhenwetter. Die Aufgabe des Meteorologen besteht darin aus den großflächigenFeldern, z.B. des Luftdrucks, der Windverteilung und der Temperatur das zuerwartende lokale und regionale Wettergeschehen zu erkennen.

4.6 mittelfristige Wettervorhersagen (72h bis 10d)Wichtigste Information sind die numerischen Vorhersagekarten. Das europäischeZentrum für mittelfristige Wettervorhersagen (EZMW) mit Sitz in Reading istweltweit führend im Bereich mittelfristiger numerischer Wettervorhersagen.

4.7 Langfristvorhersagen (ab 10d)Wichtigstes Hilfsmittel ist die meteorologische Statistik, also Zusammenhängezwischen der großräumigen Zirkulation und den lokalen Witterungserscheinun-gen. Der Meteorologe versucht gleiche oder ähnliche zurückliegende Wetterlagenzu finden um daraus das zukünftige Wetter zu bestimmen. Die Ergebnisse sinddeutlich ungenauer als mittelfristige Vorhersagen. Es können z.B. Aussagen überdie zu erwartende Abweichung von der Monatsmitteltemperatur, oder die An-zahl der Frosttage in einem Monat getroffen werden. Solche Aussagen sind fürTourismus, Bauindustrie oder Heizkraftwerke sehr interessant.

4.8 PrognoseprüfungJe nach Ausgangswetterlage fällt es unterschiedlich schwer das Wetter vorher-zusagen. Darum haben Wettervorhersagen immer eine unterschiedliche Eintreff-genauigkeit.

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Abbildung 12: Ensemble Vorhersage für Potsdam

Man benutzt die Ensemblevorhersage um die Genauigkeit einer Prognose ab-zuschätzen. Dabei lässt man die numerische Wettervorhersage mit vielen leichtveränderten Anfangsbedingungen durchlaufen. Der Mittelwert aller Lösungenist am wahrscheinlichsten.Die Ergebnisse laufen stark auseinander → geringe Prognosegenauigkeit.Die Ergebnisse liegen zusammen → hohe Prognosegenauigkeit.

4.9 Statistische GüteabschätzungUm die Güte einer Prognose im Nachhinein abzuschätzen, werden statistischeGütemaße verwendet:

systematische Fehler :∑|∆xi|N

mittlerer quadratischer Fehler :√∑

(∆xi)2

N

mit∆xi = eingetroffener Wert− vorhergesagter Wert

Der systematische Fehler zeigt dabei an, ob die Vorhersagen im Mittel zu hochoder zu niedrig waren. Bei ständig zu hohen oder zu niedrigen Werten, kannman im Prognose-Modell einen Korrekturfaktor einfügen. Die Prognosefehler∆x lassen sich mit der Normalverteilung N(µ, σ) beschreiben. Dabei ist µ dersystematische Fehler und σ der mittlere quadratische Fehler.

Abbildung 13: Normalverteilung

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4.10 AusblickEine Prognose für die kommende Woche ist Heute ungefähr so zuverlässig, wiesie es vor dreißig Jahren für den nächsten Tag war. Die 24-Stunden-Vorhersageerreicht eine Eintreffgenauigkeit von gut neunzig Prozent. Es ist davon auszuge-hen, dass diese Entwicklung weitergehen wird. Fortschritte im Bereich der Da-tenerfassung (Wettersatelliten, Wetterradar,...) führen zu immer zahlreicherenund hochwertigeren Meßwerten. Fortschritte im Bereich der Computertechno-logie führen zu immer schnelleren und genaueren Prognosen. Außerdem werdendie Wettervorhersagemodelle ständig verbessert.

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Quellenangabe:

• Wettervorhersage von Konrad Balzer, Wolfgang Enke und Werner Wehry

• Horst Malberg: Meteorologie und Klimakunde. Eine Einführung

• http://www.dwd.de/

• http://www.wikipedia.de/

• http://www.dmg-ev.de/gesellschaft/publikationen/pdf/promet/31_2-4.pdf

• http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de/dkt/praesentationen/behrens.pdf

• http://www.berlinonline.de/berliner-zeitung/archiv/.bin/dump.fcgi/1997/0813/wissenschaft/0010/index.html

• http://www.bsc-hamburg.de/static/docs/hochsee/wetter_2008.pdf

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