Lenticularis über dem Mont Blanc. 

Ohne Computer keine Prognose
Numerische Wettermodelle

Eine Vielzahl von Computern berechnet das kommende Wetter. Vor hundert Jahren war das noch undenkbar, nur Visionäre träumten von numerischen Modellen. Mit den ersten elektronischen Rechnern entstanden auch die ersten Wettermodelle. Sie stellten damals wie auch heute die höchsten Ansprüche an die Computer.

Martin Gassner

Ist heute ein Flug möglich, oder ist der Wind zu stark? Die Prog-nose-Modelle zeigten für diesen Tag ein Starkwindband, welches sich von Nordwesten in die Schweiz verlagerte. Das bedeutete zuerst starke Winde im Mittelland, welche erst am späten Abend auf Graubünden übergreifen würden. Die im OLC eingereichten Flüge bestätigten diese Prognose. Offenbar können Computer-Modelle das kommende Wetter schon sehr genau berechnen. Ein Blick ins Internet zeigt, dass eine beinahe unüberschaubare Vielzahl von Wettermodellen existiert. Bei ihren Prognosen stützen sich die Meteorologen denn auch auf verschiedene Modelle. SF Meteo zum Beispiel schaut in erster Linie auf die Modelle ECMWF, DWD und GFS, wie Roman Portmann berichtet. Im Prognosealltag konsultieren sie auch das Modell des UKMO sowie je nach Gegebenheit BOLAM, NOGAPS, GEM und andere.

Numerische Wettermodelle als Vision
Im Jahre 1904, also lange bevor es die ersten Computer gab, überlegte sich der norwegische Hydrodynamiker Vilhelm Bjerknes, wie eine numerische Wetterprognose erstellt werden könnte. Er schlug vor, in einem ersten Schritt den Zustand der Atmosphäre, also Messwerte wie Luftdruck, Dichte, Temperatur und Feuchtigkeit, welche an verschiedenen Orten abgelesen wurden, sorgfältig zu analysieren. Auf die so ermittelten Anfangsbedingungen könnten im zweiten Schritt die hydrodynamischen und thermodynamischen Gleichungen, das heisst die Strömungs- und Wärmegesetze, angewandt werden. Da aber weder die theoretischen noch die praktischen Mittel dazu bereit waren, initiierte er einen qualitativen Ansatz, der später als die «Bergen Schule» bekannt wurde, und legte den Grundstein zur Polarfronttheorie.
Einen ersten Versuch, numerisch das Wetter vorherzusagen, wagte der englische Mathematiker Lewis F. Richardson (1881-1953). In der Zeit von 1911-1921 führte er manuelle numerische Berechnungen zur Wettervorhersage durch. Nach seinen Schätzungen hätte er dazu 64'000 Mitarbeiter als Rechner benötigt. Heutigen Schätzungen zufolge wären viermal mehr erforderlich gewesen. Er verwendete ein Gitter von etwa 200 km horizontaler Maschenweite und vier vertikale Schichten. Als Ausgangsdaten dienten die beobachteten Werte vom 20. Mai 1910, 7h GMT. Richardson analysierte ein Beispiel, doch seine Berechnungen erwiesen sich als nicht mit der Praxis übereinstimmend. Die vorhergesagte Druckänderung betrug 146 hPa, in Wirklichkeit wurde keine Änderung beobachtet. In seinem Bericht schrieb er aber, dass eines Tages eine Wettervorhersage möglich sein wird. Seine Vision wurde als «Richardson's Traum» bezeichnet.

Entwicklung der operationellen Prognosequalität am NCEP (GFS-Modell und Vorgänger) über Nordamerika für das 500 hPa Geopotential. S1-Score misst den relativen Fehler des horizontalen Druckgradienten. S1-Werte von 70% bedeuten «useless» resp. unbrauchbar und S1 Werte von 20% stellen eine «perfect» resp. perfekte Prognose dar. Zu beachten ist, dass die 3-Tages-Prognose (72 h) momentan qualitativ gleich gut ist wie die 1½-Tages-Prognose (36 h) vor 10–20 Jahren.
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Erstes numerisches Wetterkartenschema (Gitternetz mit Stationen) von L.F. Richardson, 1922.
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Entwicklung numerischer Modelle
Als 1950 die ersten Computer gebaut wurden, setzten die Meteorologen sie sofort für ihre Berechnungen ein. An die Leistung der Rechner stellten sie höchste Ansprüche, erfordern doch die Modelle enorme Speicherkapazität. An Universitäten und auch an Meteorologischen Instituten entstanden die ersten numerischen Wettermodelle, welche für Vorhersagen eingesetzt werden konnten. Die erste erfolgreiche numerische Wetterprognose führten 1950 J. G. Charney, R. Fjörtoft and J. von Neumann mit einem Computer des Typs ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) durch. Ein weiterer Schritt bedeutete das Modell von N. A. Phillips, konnte er doch 1956 erstmals die atmosphärische globale Zirkulation auf einem Computer numerisch nachbilden. Nach und nach entstanden in verschiedenen Ländern die ersten operationellen Modelle. Verglichen mit den heutigen Modellen war ihre Prognosequalität noch bescheiden und konnte mit manuell erstellten Vorhersagen nicht mithalten. Zum Beispiel überschätzten sie die Entwicklung von Tiefdrucksystemen, weit zu viele Tiefs verstärkten sich zu gefährlichen Stürmen.
Die Verbesserungen der numerischen Wetterprognose über die letzten 50 Jahre beruhen auf vier Faktoren:

Globale Modelle
In Europa ist das Wettermodell des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), welches in Reading in England beheimatet ist, das meistbeachtete Computermodell. Die erste Version wurde auf einem Control Data Corporation 6600 Computer in den Jahren 1976 bis 1978 entwickelt. Obwohl die CDC6600 eines der leistungsstärksten Systeme dieser Zeit war, benötigte das Prognosemodell 12 Tage um eine 10-Tages-Prognose zu berechnen. Die erste operationelle Version von 1983 lief auf einer Cray 1-A. Sie hatte eine horizontale Auflösung von 1.875 Längen und Breitengrad, was beim Äquator etwa 200 km entspricht. Vertikal verwendete es 15 Schichten. Je feiner die Auflösung ist, umso genauer werden die Prognosen und umso kleinskaligere Wetterphänomene können im Modell nachgebildet werden. Wird aber die Auflösung verdoppelt, bedeutet das eine Verdoppelung für jede räumliche Dimension. Es müssen also 8 Mal mehr Gitterpunkte berechnet werden. Zusätzlich muss auch der Zeitschritt in der Berechnung halbiert werden, um die Stabilität des Modells zu erhalten. Eine Verdoppelung der Auflösung erfordert also 16 Mal mehr Rechenleistung. Das Modell, welches seit 2006 in Reading in Betrieb ist, verwendet eine horizontale Auflösung von ca. 25 km und 91 Schichten vertikal. Es läuft auf zwei IBM Clusters mit je 155 p5-575+ Servern, welche über einen pSeries High Performance Switch miteinander verbunden sind.
Das Global Forecast System (GFS), welches vom National Center for Environmental Prediction (NCEP) in den USA betrieben wird, verwendet für Prognosen bis 7½ Tage eine horizontale Auflösung von 50 km und 64 Schichten und für Prognosen bis 16 Tage eine Auflösung von 100 km mit der gleichen Anzahl Schichten. Auf dem Internet ist dieses Modell frei verfügbar.
Der Deutsche Wetterdienst betreibt ein besonderes globales Modell (GME), das den Erdball mit einem Dreiecksgitter mit einer Maschenweite von 60 km überzieht.

Lokale Modelle
ECMWF, GFS und GME sind globale Modelle, das heisst, sie modellieren das Wetter auf dem gesamten Erdball. Im Gegensatz dazu stehen die lokalen Modelle, welche sich auf ein bestimmtes Gebiet beschränken. Das erlaubt, in diesem Gebiet mit einer höheren Auflösung zu rechnen, womit auch kleinerskalige Phänomene modelliert werden können. Die Beschränkung des Modellgebiets auf eine Region führt aber zu fehlerhaften Simulationen im Innern des Modellgebiets, wenn atmosphärische Entwicklungen, die ihren Ursprung ausserhalb des Gebiets haben, im Verlauf des Vorhersagezeitraums in das Gebiet eindringen. Dadurch würden insbesondere längerfristige Vorhersagen mit einem sogenannten Ausschnittmodell stark verfälscht. Die lokalen Modelle (LM) lösen dieses Problem so, dass in einem globalen Modell ein hochauflösendes lokales Modell eingebettet ist. Am Rand des lokalen Modells werden während der Vorhersage die grösserskaligen atmosphärischen Messgrössen der entsprechenden globalen Prognose eingespeist.

aLMo, das alpine Modell
Das aLMo der MeteoSchweiz ist ein solches lokales Modell. Es ist in das ECMWF-Modell eingebettet und berechnet Prognosen bis 3 Tage. Mit einer Maschenweite von 7 km können lokale Details der Landschaft, die einen prägenden Einfluss auf das Wetter haben, explizit erfasst werden. So sagt es die zu erwartende Bewölkung inklusive Staubewölkung an den Alpen und die Sonnenscheindauer recht gut voraus. Auch den Wind prognostiziert es im Mittelland und im Jura recht gut. Für das Talwindsystem in den Alpen reicht die Auflösung allerdings noch nicht aus. Auch der Föhn wird zu stark simuliert; entgegen der Wirklichkeit bläst er im Modell bis weit ins Mittelland hinaus.
Auf Anfang 2008 hat die MeteoSchweiz aLMo 2 angekündigt. Es wird eine Auflösung von 2 km haben und täglich 8 Mal berechnet werden. Damit wird es zum Beispiel möglich sein, aktuelle Gewitter ins Modell zu übernehmen und ihren weiteren Verlauf zu prognostizieren. In den grösseren Tälern, etwa im Rheintal oder im Wallis, wird der Talwind sichtbar werden und auch der Föhn wird im aLMo 2 nicht mehr zu weit ins Mittelland hinaus blasen. Nein, die lokale Thermik wird noch nicht enthalten sein.

Links:
http://www.westwind.ch
http://www.ecmwf.int/products/forecasts/guide/Presentation_of_ECMWF.html
http://www.emc.ncep.noaa.gov/modelinfo/
http://www.dwd.de
http://www.meteoschweiz.ch/web/de/forschung/projekte/almo.html
http://cosmo-model.cscs.ch/public/default.htm


www.ich-will-fliegen.de 

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