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Das Wunder der numerischen Wettervorhersage: Wie kann man mit mathematischen Modellen das zukünftige Wetter vorhersagen?
Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie hat uns die Entwicklung der Meteorologie ein besseres Verständnis des Klimasystems der Erde ermöglicht. Die numerische Wettervorhersage (NWP) ist ein erfolgreiches Beispiel für die Anwendung mathematischer Modelle zur Wettervorhersage. Auf der Grundlage von Beobachtungsdaten können diese Modelle das zukünftige Wetter vorhersagen und so den Alltag der Menschen erheblich erleichtern.
Ziel der numerischen Wettervorhersage ist es, anhand aktueller meteorologischer Beobachtungen zukünftige Wetterbedingungen vorherzusagen. Dieser Prozess basiert auf der Verwendung von Computern, auf denen hochkomplexe mathematische Modelle ausgeführt werden.
Geschichte der numerischen Wettervorhersage
Die Wurzeln der numerischen Wettervorhersage lassen sich bis in die 1920er Jahre zurückverfolgen, als der Meteorologe Louis F. Richardson erstmals die Verwendung mathematischer Modelle zur Erstellung von Prognosen vorschlug. Aufgrund der damals fehlenden Rechenleistung war das Verfahren jedoch so umständlich, dass Richardson sechs Wochen brauchte, um eine Sechs-Stunden-Vorhersage für zwei Punkte in Mitteleuropa fertigzustellen. Erst in den 1950er Jahren wurde mit der Einführung des Supercomputers ENIAC die Effizienz der Datenverarbeitung deutlich verbessert, sodass numerische Prognosen möglich und praktisch wurden.
Im Jahr 1954 führte das Team von Cole-Gustav Rossby am Schwedischen Meteorologischen und Hydrologisch-Institut erfolgreich die erste operationelle Wettervorhersage durch und markierte damit den offiziellen Eintritt der numerischen Wettervorhersage in die Praxis.
Grundprinzipien der numerischen Prognose
Der Kern der numerischen Wettervorhersage besteht aus einer Vielzahl von Computermodellen, die aktuelle meteorologische Daten verwenden, um auf Grundlage der Grundgesetze der Strömungsmechanik und Thermodynamik das zukünftige Wetter vorherzusagen. Die Beobachtungsdaten stammen hauptsächlich von Wettersatelliten, Wetterballons und bodengestützten Wetterstationen. Diese Daten werden mithilfe einer Datenassimilationstechnologie verarbeitet, um die Anfangsbedingungen des Modells zu erzeugen.
Bei der Erstellung von Prognosen verarbeiten Wettermodelle Dutzende Terabyte an Daten und erfordern dafür den Einsatz der leistungsstärksten Supercomputer der Welt.
Mathematisches Modell und Berechnungsmethode
Bei numerischen Vorhersagen werden sogenannte primitive Gleichungen verwendet. Sie bestehen aus nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen, die die dynamischen Eigenschaften der Atmosphäre beschreiben können. Die Lösungen dieser Gleichungen können mit herkömmlichen analytischen Methoden nicht vollständig ermittelt werden, daher sind numerische Methoden zur Annäherung erforderlich.
Numerische Modelle stützen sich bei ihren Berechnungen typischerweise auf Differenzen- oder Spektralmethoden, die in der Lage sind, ein breites Spektrum physikalischer Prozesse in der Atmosphäre zu berücksichtigen.
Prognosegenauigkeit und -einschränkungen
Obwohl sich moderne numerische Wettervorhersagetechniken deutlich verbessert haben, ist die Prognosefähigkeit derzeit auf etwa sechs Tage begrenzt. Der Hauptgrund hierfür ist, dass kleine Fehler mit der Zeit immer schwerwiegender werden und sich typischerweise innerhalb von fünf Tagen verdoppeln. Dies ist auf die chaotische Natur der Atmosphäre zurückzuführen.
Die Entwicklung integrierter Prognosen
Um mit der Unsicherheit bei Vorhersagen umzugehen, hat sich die Ensemble-Prognose seit den 1990er Jahren allmählich durchgesetzt. Bei dieser Methode werden für die Berechnungen mehrere Prognosemodelle verwendet und die statistischen Eigenschaften der Ergebnisse analysiert, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Prognose zu verbessern.
Ensemblevorhersagen ermöglichen es Meteorologen, Prognoseunsicherheiten besser einzuschätzen und den Gültigkeitszeitraum von Prognosen zu erweitern.
Zukunftsaussichten
Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Computertechnologie werden künftige numerische Wettervorhersagen präziser und können auch kleinere meteorologische Phänomene erfassen. Ob diese technologischen Fortschritte die aktuellen Chaosprobleme lösen können, bleibt jedoch eine Frage, der es sich nachzugehen lohnt. Angesichts der Herausforderung des fortschreitenden Klimawandels auf der Erde stellt sich die Frage, wie wir diese Prognoseinstrumente intelligent nutzen können, um uns an das Leben in der Zukunft anzupassen?
