Teil 2: Die Grenze der Vorhersagbarkeit
Wie schlecht sind die Wetterprognosen?

Micha Schultze, Chill Out Meteo

Das Ensemble Prognose System
Ostern 2005: Ein Wettermodell berechnet am Gründonnerstag eine Prognose für den Ostermontag. Es besteht aber keine Garantie, dass die Anfangsbedingungen an diesem Donnerstag genau bekannt sind. Beobachtungsfehler und Messfehler haben sich eingeschlichen (siehe «Swiss Glider» 5.2005, Seite 42). Wieso nicht eine zweite Prognose berechnen mit leicht geänderten Anfangsbedingungen? Dann noch eine Prognose mit erneut geänderten Anfangsbedingungen. Am besten, man berechnet gleich eine ganze Schar von diesen Prognosen. Wenn alle für den Ostermontag übereinstimmen, dann ist die Vorhersage zuverlässig. Wenn die Prognosen unterschiedliche Ergebnisse generieren, dann ist die Vorhersage für den Ostermontag unsicher. Diese Methode heisst Ensemble Prognose System, und die Graphische Darstellung der Ergebnisse bezeichnen die Meteorologen als Ensembles.

Wahrscheinlichkeiten
Wir leben in einer Welt von Wahrscheinlichkeiten, und da kann der Zufall dazu benutzt werden, uns Aufschluss über die Wahrscheinlichkeiten zukünftiger Zustände zu geben. Beispielsweise, indem nicht nur von einer Anfangsbedingung ausgegangen wird, sondern von vielen verschiedenen, die sich wenig unterscheiden. Mit dieser Methode verfügen die Meteorologen nun über ein Instrument, mit dem sich innerhalb gewisser Toleranzen eine praktische Grenze der Vorhersagbarkeit bestimmen lässt. Die Grenze ist dort erreicht, wo die Unterschiede zweier Vorhersagen mit dem gleichen Modell, aber mit minimal unterschiedlichen Anfangsbedingungen eine so grosse Differenz bei den Ergebnissen aufweisen, wie zwei völlig zufällig gewählte Wetterlagen. Man könnte dann die Modellrechnung durch reines Würfeln ersetzen.

Grenze der Vorhersagbarkeit
Die Grenze der vorhersehbaren Zukunft ist abhängig vom Massstab der betrachteten meteorologischen Vorgänge. Das Azorenhoch ist zum Beispiel über eine längere Zeit prognostizierbar als ein Gewitter. Das Monatsmittel der Temperatur an einem Ort ist leichter vorherzusehen als die Maximaltemperatur von übermorgen. Ganz allgemein gilt, dass der Mittelwert eher stabil und besser vorhersagbar ist als Detailinformationen an Stichtagen. Aber auch meteorologische Variablen selbst sind sehr unterschiedlich vorhersagbar. Der Luftdruck und die Temperatur an einem Ort können besser vorhergesagt werden, als die Bewölkungsmenge und der Niederschlag.
Trotz physikalischen Gesetzen sind der Atmosphäre biologische Verhaltensmuster nicht fremd. Laufend entstehen und vergehen Strukturen, die an Individuen erinnern. Am auffälligsten erscheint dabei das Entstehen und das Sterben von Zyklonen. Laufend bilden sich über dem Westatlantik dynamische Tiefdruckgebiete, die sich dann nach einer Lebensdauer von 5 bis 10 Tagen auflösen. Polen ist bekannt als Zyklonenfriedhof.
Die Grenze der Vorhersagbarkeit hängt sehr eng mit der jeweiligen Lebensdauer des zu prognostizierenden atmosphärischen Merkmals zusammen. Ein sommerliches Hitzegewitter «lebt» selten länger als 2 Stunden und kann nur sehr kurzfristig vorhergesagt werden. Entsteht aber eine Gewitterfront an einer Kaltfront, steigen die Chancen der Vorhersagbarkeit.

Abb.1: Ensembles für Karfreitag. 24-Stunden-Prognose. Die Linien liegen nahe beieinander. Zuverlässige Prognose. .
Abb. 2: Ensembles für den Ostersamstag. 48-StundenPrognose. Ähnlich gute Prognosequalität wie für den Karfreitag.
Abb. 3: Ensembles für den Ostersonntag. 72-Stunden-Prognose. Langsam sinkende Prognosegüte, da die Linien in bestimmten Gebieten schon recht stark streuen. Trotzdem ist der Trog über oder unmittelbar westlich der Schweiz in allen Ensembles zu erkennen. Schlechtwetterzeichen.
Abb. 4: Ensembles für Ostermontag. 96-Stunden-Prognose. Die Linien über der Schweiz bzw. in der Umgebung davon zeigen kein einheitliches Muster. Unsichere Wetterentwicklung.

EPS – der gesteuerte Zufall
Erste Experimente mit dem EPS: Die anfangs künstlich erzeugten, räumlich völlig zufällig verteilten «Störungen» der Anfangsbedingungen verhielten sich im Modell sehr unterschiedlich. Einige wurden durch den mathematischen Apparat des Modells weggefiltert, unschädlich, wirkungslos gemacht, andere wurden durch die Physik des Modells gedämpft. Man fand heraus, dass die gezielt eingebrachten Störungen sich nur dort unterschiedlich entwickelten, wo die Atmosphäre sensibel bzw. intstabil genug war, um wie gewünscht zu reagieren. An stabilen Tagen und in stabilen Regionen (ausserhalb der Zone grosser Temperaturgegensätze) vermochten die Störungen den gegenwärtigen Ausgangszustand nicht wesentlich zu kippen. Aus diesem Grund können beim EPS die Anfangsbedingungen nicht rein zufällig geändert werden. Es muss in einem vorausgehenden Arbeitsschritt erst einmal geklärt werden, ob und wenn ja, wo solche «empfindlichen» Gebiete existieren. Diese müssen dann gezielt geändert werden, damit man die gewünschte Vielfalt an Ergebnissen erhält.

Vorhersage der Vorhersagegüte
Mit dem EPS lässt sich neben einer reinen Prognose des Wetters auch die Güte, Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Prognose abschätzen. Jedem Prognostiker (Vorhersagemeteorologe) ist die Tatsache einer wechselnden Güte seiner Vorhersagen seit langem bekannt. Wer die Wetterprognosen im Jahresverlauf etwas genauer unter die Lupe nimmt, stellt fest, dass zum Beispiel die Prognosen im April schlechter sind als im Juli oder August. Die Prognosequalität variiert einerseits mit den Jahreszeiten, andererseits sind einige Typen von Wetterlagen leichter vorherzusagen als andere. Das hängt damit zusammen, dass es auch der Atmosphäre je nach ihrem augenblicklichen Zustand unterschiedlich schwer fällt, sich zu entscheiden, wie es weitergeht. Deshalb zeigt auch die Vorhersageprüfung, dass je nach Ausgangswetterlage unterschiedliche Fehler erwartet werden können. Selber erleben kann man dies bei einem Blick auf die Ensemble-Karten im Internet.

Ensembles im Internet
Im Internet findet man Ensembles für die 500 hPa Höhenwetterkarte, Temperaturverteilung im 850 hPa Niveau (ca. 1500 m ü. M.), Feuchtigkeitsverteilung im 700 hPa Niveau (ca. 3000 m ü. M.), Luftdruck am Boden und über den Niederschlag und die Niederschlagswahrscheinlichkeit. Oft werden die Ensembles mit ENS abgekürzt. Bei den Darstellungen gibt es zwei verschiedene Typen von Ensemble-Karten:
Spaghetti Plots: Hier werden die Ergebnisse der einzelnen Modell-Rechnungen zusammen auf einer Karte dargestellt. Bei den Wetterzentrale-Karten www.wetterzentrale.de (> Topkarten > ENS) sind dies drei ausgewählte 500 hPa Geopotential Linien sowie drei 850 hPa Isothermen. Sie sind immer mit dem GFS(Global Forecast System)-Modell gerechnet. Bleiben die Linien der verschiedenen Läufe für längere Zeit nahe bei derselben Lösung, kann in die Prognose mehr Vertrauen gesetzt werden, als wenn dies nicht der Fall ist.
Mittelkarten: Bei der Wetterzentrale sind diese auch für die beiden Höhen 850 und 500 hPa vorhanden. Alle Rechenergebnisse werden gemittelt und dargestellt. Diese sind vielfach gut zur Erkennung von Tendenzen gegen Ende des Vorhersagezeitraums. Wo dieser liegt, muss man aus den Spaghetti Plots herauslesen.
Auch bei Wetteronline www.wetteronline.de (> Profi) findet man Ensembles zum GFS-Modell. Besonders interessant sind hier die Ensembles der verschiedenen Modelle (>MOD). Hier sind die einzelnen Parameter der verschiedenen Modelle in einer Karte dargestellt. In diesen Karten kann man Unterschiede in den Vorhersagemodellen gut erkennen. Wer gewohnt ist, über www.westwind.ch Wetterkarten zu studieren, findet die Ensembles in der rechten Spalte unter Ensembles.

Ensembles Ostern 2005
Abbildungen 1 bis 4 sind Spaghetti Plot Karten. Es sind alles 500 hPa Karten der Wetterzentrale. Jeder einzelne Modelllauf wurde am Gründonnerstag 2005 um 00 UTC gestartet und gilt jeweils für 00 UTC der angegebenen Tage.

Seitenanfang