Die Güte von Wetterprognosen

In diesem Kapitel erfahren Sie etwas zur allgemeinen Güte von Wetterprognosen. Tatsächlich gibt es gute Gründe dafür, dass 100%-ige Vorhersage für alle Zeit ein unerreichbares Ziel bleibt.

Gibt es die 100%-ige Wetterprognose?

Um es vorwegzunehmen: Nein. Es gibt sie nicht.

Warum aber ist diese Antwort so eindeutig? Immerhin läßt sich die Atmosphäre als hydrodynamisches System mit einem Satz mathematisch-physikalischer Gleichungen (genauer: partieller Differentialgleichungen) theoretisch exakt beschreiben. Und im allgemeinen benötigt man zur analytischen Lösung solcher Differentialgleichungen einerseits einen definierten Anfangszustand und andererseits ein geeignetes Lösungsverfahren.

Das vollständige Gleichungssystem der Atmosphäre ist jedoch aufgrund seiner Nichtlinearität und der vielschichtigen Kopplung einzelner Terme nicht analytisch lösbar. Gäbe es analytische Lösung, so könnte man, wie oben bereits gesagt, 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.

Es gibt nun zwei Möglichkeiten, irgendetwas mit dem unhandlichen und in seiner allgemeinen Form einfach zu komplexen Gleichungssystem anzufangen:

Analytische Näherungslösungen

Die erste Möglichkeit besteht darin, einzelne Terme in dem Gleichungssystem zu eliminieren, indem man sie in Hinblick auf eine vereinfachte meteorologische Rahmensituation als vernachlässigbar einstuft. Der Fachausdruck für diese Vorgehensweise lautet Skalenanalyse. Zum Beispiel sind auf einer horizontalen Skala von 10000 Kilometern die beobachteten Vertikalwinde sehr gering, während sie in Gewitterzellen, also auf einer horizontalen Skala von 10km, keineswegs gering sind. Im ersten Fall kann man nun diese Beobachtung zu einer Vereinfachung des Gleichungssystems heranziehen. Wenn man alle möglichen Vereinfachungen geschickt genug durchführt, dann erhält man ein mehr oder minder deutlich abgespecktes Gleichungssystem. Und dieses ist dann im Idealfall einem analytischen Lösungsanatz zugänglich.

Für Wettervorhersagen jedoch sind diese analytischen Lösungen aufgrund der vielen vereinfachenden Annahmen leider nicht mehr geeignet. Immerhin sind sie aber für ein theoretisches Verständnis der meteorologischen Prozesse sehr hilfreich.

Numerische Näherungslösungen

Einen anderen Lösungsansatz für das Gleichungssystem zeigt L.F. Richardson 1922 in seinem Buchklassiker "Weather Prediction by Numerical Process" auf: er bediente sich der Methoden der diskreten Mathematik, der sog. Numerik.

In der Numerik werden die in der Realität kontinuierlichen Feldverteilungen von Temperatur, Feuchte, Wind usw. auf einen Satz von Gitterpunkten im Raum reduziert (diskrete Formulierung). Eine diskrete Temperaturverteilung kann man sich dabei so vorstellen, dass man die Temperaturwerte aller Jörg-Kachelmann-Wetterstationen zu einem bestimmten Zeitpunkt notiert und sie in einer Deutschlandkarte an den jeweiligen Standorten einträgt. Dieses verfahren wendet man auch auf die anderen Messgrößen an.

Man kann das komplette Gleichungssystem dann an den einzelnen Gitterpunkten (und nur dort!) mithilfe der Verfahren der numerischen Mathematik lösen. Dann erhält man z.B. die Temperaturen, welche die Wetterstationen erst künftig messen werden.

Es liegt aber auf der Hand, daß die Reduktion einer kontinuierlichen Feldverteilung auf ein diskretes Punktgitter ebenso wie die Vereinfachung des Gleichungssystem durch Annahmen mit einem Informationsverlust verbunden ist.

Das folgende Bild zeigt mal als Beispiel, wie ein meteorologisches Modell die Windstärke in einer bestimmten Modellschicht "sieht" (Bemerkung: die Isolinien zeigen die Orografie, das Modellgebiet selbst ist ein 40 mal 40km-Areal in der Kölner Bucht):

Intuitiv dürfte klar sein, daß man mit einer großen Anzahl an Gitterpunkten im Raum und damit (in diesem Sinne) möglichst zahlreichen tatsächlichen Messungen die Genauigkeit einer numerischen Wetterprognose verbessern kann.

Theoretisch schön und gut, aber in der Praxis folgen die Probleme auf dem Fuße, denn der limitierende Faktor bei zu vielen Punkten im Raum ist der enorme Rechenaufwand. Zwar gibt es heute extrem leistungsfähige Hochleistungscomputer, aber auch diese benötigen noch immer mehrere Stunden für die numerische Lösung der Modellgleichungen auf einem weltumspannenden Punktegitter, bei dem die einzelnen Punkte 30 bis 60 Kilometer aufeinander liegen!

Fazit

So weit, so schlecht. Völlig andere objektive (d.h. nicht an die Intuition des Einzelnen gebundene) Verfahren der Wetterprognose, die nicht vergleichbare Probleme hätten, gibt es nicht! Und klar ist, daß jede noch so langjährige Erfahrung eines Meteorologen noch keine Garantie für eine 100%-ige Wetterprogonse darstellt. Kurz: Die 100%-ige Wetterprognose gibt es nicht und es wird es auch niemals geben können.

Darum verzeihen Sie dem Meteorologen vom Dienst auch heute, im Zeitalter der Computer, einmal eine Fehlvorhersage. Nur die Atmosphäre selber weiß, wie sie sich morgen im Detail verhalten wird.

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