Wie Wettervorhersage funktioniert: Von der Datenerfassung bis zu Ihrer Vorhersage-App

Jede Vorhersage auf einer Telefon-App oder im Fernsehen geht auf die gleiche grundlegende Abfolge zurück: Beobachtungen werden eingegeben, ein Supercomputer löst atmosphärische Gleichungen, und ein Meteorologe oder ein Algorithmus wandelt die Ausgabe in eine Vorhersage um. Die U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) beschreibt diesen Prozess einfach als Wettervorhersage, die auf Mathematik basiert – Gleichungen, die das physikalische Verhalten der Atmosphäre darstellen und wiederholt gelöst werden, während die Zeit voranschreitet.

Die sechs Schritte hinter einer Vorhersage

1. Beobachtungen werden weltweit gesammelt – von Wetterballonen, Satelliten, Bojen, Radargeräten, Sensoren auf Handelsflugzeugen und Schiffen, Fluss- und Küstenmessstationen sowie Bodenobservatorien – und in numerische Werte für Temperatur, Druck, Feuchte und Wind umgewandelt, wie die NOAA berichtet.
2. Die Datenassimilation verbindet diese aktuellen Beobachtungen mit der neuesten kurzfristigen Vorhersage der Atmosphäre. Das European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) erklärt, dass Hunderte von Millionen Beobachtungen täglich durch diesen statistischen Prozess gefiltert und mit aktuellen kurzfristigen Vorhersagen kombiniert werden, um die beste Schätzung des aktuellen Zustands der Atmosphäre zu erhalten.
3. Ein numerisches Modell teilt den Globus (oder eine Region) in ein dreidimensionales Gitter von Punkten ein. Die NOAA vermerkt, dass feinere Gitter mehr lokale Details liefern, aber deutlich mehr Rechenleistung erfordern – eine Verdopplung der Auflösung in jede Richtung vervierfacht ungefähr die erforderlichen Berechnungen für denselben Bereich.
4. Supercomputer lösen die physikalischen Gleichungen an jedem Gitterpunkt für kurze Zeitschritte und geben das Ergebnis dann als Ausgangspunkt für den nächsten Schritt zurück. Die Maschinen der NOAA, die sich in Virginia und Florida befinden, führen etwa 2,8 Billiarden Berechnungen pro Sekunde durch; das System des ECMWF nutzt mehr als eine Million Prozessoren mit einer Leistung von etwa 30 Petaflops.
5. Das Modell wird mehrfach mit leicht unterschiedlichen Anfangsbedingungen oder Physik-Einstellungen, einem Ensemble genannt, durchgeführt. Die NOAA erklärt, dass Meteorologen mehr Vertrauen haben, wenn die Läufe übereinstimmen; wenn sie auseinandergehen, kommuniziert diese Streuung selbst Unsicherheit an die Öffentlichkeit.
6. Menschliche Meteorologen und automatisierte Systeme interpretieren die rohen Modellergebnisse – unter Berücksichtigung lokaler Geländemerkmale, bekannter Modellverzerrungen oder aktueller Beobachtungen – bevor sie die öffentliche Vorhersage, Warnung oder Beobachtung herausgeben.

Globale vs. regionale Modelle

Die NOAA unterscheidet zwischen globalen Modellen, die den gesamten Planeten in gröberer Auflösung abdecken, und regionalen Modellen, die ein kleineres Gebiet in feinerer Auflösung abdecken. Das ECMWF führt sein globales Modell zweimal täglich, um Mitternacht und Mittag, durch, mit zwei zusätzlichen Zwischenlauf, die Randbedingungen für die eigenen regionalen Modelle der Mitgliedstaaten liefern. Die Agentur vermerkt, dass ein globales Modell notwendig ist, da Wetterstörungen auf einer Seite der Welt Bedingungen anderswo Tage später beeinflussen können.

Warum Vorhersagen im Laufe der Zeit an Genauigkeit verlieren

Die Atmosphäre ist ein chaotisches System: Kleine Unterschiede in den Anfangsbedingungen wachsen im Laufe der Zeit, bis die Vorhersage von der Realität abweicht. Dieses Prinzip, das zuerst vom MIT-Meteorologen Edward Lorenz identifiziert wurde, ist der Grund, warum kein Modell – egal wie mächtig – unbegrenzt in die Zukunft vorhersagen kann.

Eine Studie unter der Leitung des Penn State-Forschers Fuqing Zhang testete die beiden führenden globalen Vorhersagesysteme – das Modell des ECMWF und das U.S.-Vorhersagesystem der nächsten Generation – gegen reale Ereignisse, einschließlich einer europäischen Kältewelle und chinesischer Überschwemmungen, wobei nahezu perfekte Anfangsdaten verwendet wurden. Das Team kam zu dem Ergebnis, dass zuverlässige Vorhersagen von Tag zu Tag etwa 9 bis 10 Tage im Voraus für die mittleren Breiten, wo die meiste Bevölkerung der Welt lebt, erreichbar sind, und dass dies sich auf ungefähr 14 bis 15 Tage verlängern könnte, wenn Datenerfassung, Algorithmen und Rechenleistung verbessert werden.

Die eigene technische Anleitung der NOAA zur Modellausgabe gibt eine konservativere Zahl für rohe, unverarbeitete Gittervorhersagen an und bemerkt, dass Modelle bis etwa vier Tage hinaus im Allgemeinen genau bleiben, danach nimmt die Variation zwischen den Läufen erheblich zu – ein Grund, warum Ensembles und menschliche Meteorologen Teil der Pipeline für den mittleren Bereich bleiben.

Was kommt als nächstes für die Vorhersagentechnologie

Das ECMWF erklärt, dass künftige Gewinne von Vorhersagen mit feinerer Auflösung, besserer Darstellung von Erdsystemprozessen (Atmosphäre, Land und Ozean zusammen) und verbesserter Assimilation von Wetterbeobachtungen abhängen – alles, das mehr Rechenleistung erfordert. Das Programm für Skalierbarkeit des Zentrums bereitet sich auf Exascale-Computing (eine Milliarde Milliarden Berechnungen pro Sekunde) vor und erforscht auch Machine-Learning-Techniken als Teil seiner Vorhersagesysteme, wie in seinem eigenen Faktenblett angegeben.