Wie funktionieren Wettermodelle?

Letzte Woche hieß es, Luxemburg könnte am Wochenende vielleicht die 40°C-Grenze knacken. Meteorologen warnten jedoch vor vorzeitigen Schlüssen. Tatsächlich werden heute nur noch 28-30°C vorhergesagt. Wieso ändern sich die Prognosen mit der Zeit? Und wie genau funktionieren Wettermodelle? Wir haben Euch hierzu einige Fakten zusammengetragen und mit dem Meteorologen Luca Mathias gesprochen.

Wie wird das Wetter heute vorhergesagt?

Um eine Wettervorhersage zu machen, schauen sich Meteorologen Wettermodelle an. Wettermodelle wiederum sind das Ergebnis von komplizierten Berechnungen, die uns große und hochleistungsfähige Computer liefern. Vereinfacht gesagt brauchen solche Computer für ihre Berechnungen zuerst die Daten der aktuellen Wetterlage, welche dann unter Berücksichtigung von physikalischen Prozessen aus der Umwelt verrechnet werden, um das Wetter der Zukunft vorherzusehen.  

Wie genau werden die aktuellen Wetterbedingungen gemessen?

Zuerst braucht man also die Daten des Ausgangszustands des Wetters.  Dieser wird mit verschiedenen Messgeräten und Methoden erfasst:

• Auf der ganzen Welt verteilt gibt es Bodenmessstationen, die verschiedenste Daten sammeln: z.B. die aktuelle Temperatur, Windgeschwindigkeit, Luftdruck und die Feuchtigkeit für den jeweiligen Standort.
• Sogenannte Niederschlagsradare messen den Wassergehalt einer Wolke um später Rückschlüsse auf eventuellen Niederschlag (Regen, Hagel und Schnee) zu ziehen.
• Sogar verschiedene Schiffe und Bojen im Meer sind mit Messgeräten ausgestattet.
• Doch nicht nur auf dem Boden werden Daten erfasst. Um genauere Wettermodelle zu berechnen, brauchen wir auch Daten aus der Höhe. Dies übernehmen unter anderem kommerzielle Flugzeuge, Radiosonden (Wetterballons, die bis in 20-30km Höhe aufsteigen) und sogar Satelliten, die Aufnahmen und Daten aus dem All an die Bodenstationen senden. Letztere wurden in den 60er und 70er Jahren erstmals benutzt und sind besonders wichtig, um genügend Daten aus der Südhemisphäre zu erlangen, wo es nicht so viele Messstationen gibt.

Der aktuelle Zustand des Wetters ist also immer bekannt, an manchen Orten mit großer Präzision, an anderen mit weniger Präzision.

Wie entstehen daraus denn nun Wettermodelle?

Die Daten des Ist-Zustands sind nur ein Teil der Erstellung von Wettermodellen. „Vielleicht kennt der eine oder andere die Messstationen, die man sich zuhause in den Garten stellen kann. Diese liefern zwar Messwerte des aktuellen Wetterzustands, können aber keine Prognosen stellen. Denn dazu gehört noch viel mehr als man vielleicht denkt“, sagt Luca Mathias. Hierfür müssen nämlich unter anderem auch noch sämtliche physikalische Prozesse in der Atmosphäre und am Boden berücksichtigt werden. Dazu gehören zum Beispiel die physikalischen Beziehungen zwischen der Lufttemperatur, dem Luftdruck, der Windgeschwindigkeit und der Feuchte. Hinzu kommen dann noch Prozesse wie die Wolkenbildung. Viele dieser Parameter werden mithilfe von sogenannten partiellen Differentialgleichungen berechnet, die ganz schön kompliziert sind. Diese Rechnungen müssen heute aber keine Physiker, Mathematiker oder Meteorologen machen, sondern werden von hochleistungsfähigen Computern übernommen.

Wie werden die Wettermodelle ganz konkret erstellt?

Man kann sich das so vorstellen: Der gesamte Globus wird mit einem dreidimensionalen Gitternetz überzogen. Dieses Gitter kann verschieden fein oder grobmaschig sein, je nachdem wie klein oder groß das Gebiet ist, für das man eine Vorhersage machen will. Das Gitternetz ragt auch in die Höhe, denn auch in der Atmosphäre gibt es wichtige Interaktionen und Messungen die zu berücksichtigen sind. Je größer das Gebiet, für das man ein Modell berechnen will, desto weiter muss man in die Atmosphäre reichen. Globale Modelle schauen sich, mithilfe von Satellitendaten, Messpunkte von bis zu 80km Höhe mit an. Zum Vergleich: Flugzeuge fliegen nur bis zu einer Höhe von 15km.

Horizontales Dreiecksgitter des ICON-Modells mit einer Gitterverfeinerung über Europa.Quelle: Deutscher Wetterdienst - Numerische Methoden (https://bit.ly/3AP8anT)

Jedes Gitter ist also mehrere Kilometer breit, lang und hoch. Für manche Gitter ist das Wetter aktuell sehr präzise bekannt, für andere weniger.

Für jeden Kreuzungspunkt im Gitter werden dann Werte erstellt, die in die mathematischen Formeln einfließen. Doch nicht an jedem Punkt kann gemessen werden. Für Gitterpunkte, für die es keine Messwerte gibt, müssen Daten durch mathematische Verfahren „aufgefüllt werden“. Diese beruhen meist auf früheren Modellberechnungen und werden kombiniert mit Messwerten aus benachbarten Gitterzellen.

Hiermit werden nun die Modelle berechnet. Grob vereinfacht gibt es hierfür zwei verschiedene Methoden.

Beispielsweise gibt es Methoden, bei denen nur eine Simulation berechnet wird. Das heißt, der Computer nimmt die Werte des Ist-Zustands des Wetters und rechnet hierfür eine einzige Wetterprognose, also ein Szenario. Diese sind jedoch nur mäßig genau, worauf wir in den kommenden Abschnitten noch genauer eingehen werden.

Eine andere Methode nutzt sogenannte Ensemble-Modelle. Hier werden neben dem Haupt-Szenario je nach Modell etwa 20 bis 50 weitere Szenarien berechnet. Diese basieren auf jeweils kleinen Abweichungen des Ausgangszustands und anderen Modellparametern. Durch diese Anzahl an Szenarien kann man Wahrscheinlichkeiten berechnen. Regnet es zum Beispiel in 5 von 50 dieser Szenarien kann man für den Tag eine Regenwahrscheinlichkeit von ungefähr 10% vorhersagen. Ensemble-Modelle können das Wetter genauer vorhersagen, da sie einige Fehlerquellen umgehen. Auch hierauf werden wir in den nächsten Abschnitten noch genauer eingehen.

Diese Berechnungen werden je nach Wettermodell jede 3 bis 6 Stunden wieder von neuem gerechnet, mit den neuen Daten der aktuellen Wetterlage. Jedoch dauern diese Berechnungen relativ lange: Nimmt man die Messwerte zwischen 12 und 13Uhr mittags, dann ist der Computer erst gegen 16Uhr fertig mit Rechnen. Wenn man bedenkt, dass ein globales Modell für eine 24 Stunden Prognose typischerweise über 250 Billionen mathematische Operationen braucht, dann versteht man, wieso das so lange dauert.

Anhand der Simulationen, die der Computer ausspuckt, können Meteorologen dann eine Wettervorhersage ableiten. Das tun sie durch ihre Expertise und Erfahrungen. Sie entscheiden, welches Szenario am wahrscheinlichsten ist und geben dann eine angepasste Prognose. Zum Beispiel wissen sie, dass Computerberechnungen für Niederschläge von Regen und Schnee oft nicht so genau sind und passen die Risikowahrscheinlichkeiten dementsprechend an. Doch auch mit den besten Wettermodellen und sogar mit der Expertise von ausgebildeten Meteorologen sind Wetterprognosen nicht immer ganz genau.

Wie viele Tage im Voraus können Meteorologen das Wetter genau vorhersagen?

Heute findet man auf fast jeder Website die Prognosen für die nächsten 14 Tage. Das ist schon sehr beeindruckend, wenn man bedenkt, dass die Berechnungen in den 1960er gerade mal einige Stunden bis Tage in die Zukunft schauen konnten. Eine Wettervorhersage für 7 Tage hat heute beispielsweise die gleiche Zuverlässigkeit wie eine 24-stündige damals. Trotzdem muss man sich bewusst sein, dass Prognosen, die so weit in die Zukunft blicken auch heute noch mit einer Ungewissheit belastet sind. Je weiter man das Wetter vorhersagen will, desto größer muss das Gebiet sein, von dem der Ist-Zustands des Wetters mit einberechnet werden muss. So muss man ab einer Vorhersage von 5 Tagen den Anfangszustand des Wetters auf der ganzen Erde kennen. Natürlich ist hier das Risiko von unerwarteten Veränderungen deutlich höher.

Wie weit im Voraus kann ich denn nun meine Grillparty planen? Laut Meteorologe Luca Mathias sind die Prognosen für bis zu 5 Tage meist relativ zuverlässig. „Ich persönlich denke, dass es für Privatpersonen nur wenig Sinn macht, sich das Wetter in 14 Tagen anzuschauen. Schaut man sich dieselben Prognosen am Tag danach wieder an, kann das Wetter schon wieder ganz anders vorhergesagt sein.“

Allgemein rät der Experte, sich eher auf Websites zu informieren, bei denen diplomierte Meteorologen sich die Daten anschauen und einen Bericht machen. „Bei Apps gibt es oft das Problem, dass diese nur die rohen Berechnungen der Computer wiedergeben, und keine menschliche Expertise hinzugezogen wird. Zum Beispiel hängt die Zuverlässigkeit einer Berechnung auch immer von der derzeitigen Stabilität der Atmosphäre ab. Die Aufgabe des Experten ist es dann, die Berechnungen in den Kontext zu setzen und die Computerwerte abzuwägen. Das ist zum Beispiel besonders wichtig bei Gewitterprognosen, Nebel oder allgemein bei komplexeren Wetterlagen.“ Auf einer Webseite wie die von MeteoLux wird die Wetterprognose täglich mindestens zweimal von einem Meteorologen bewertet und eingeschätzt. Übrigens kann man MeteoLux auch direkt kontaktieren, wenn man möglichst zuverlässige Wetterprognosen braucht. Das ist zum Bespiel besonders sinnvoll für Bauern oder Eventmanager, deren Aktivitäten sehr stark vom Wetter abhängig sind.

„Sehr langfristige Wettervorhersagen sind zwar möglich, man kann hier jedoch nur über Trends und Anomalien reden. Zum Beispiel können Experten vorhersagen, dass ein Monat möglicherweise besonders trocken im Vergleich zu den Vorjahren oder Normalwerten wird, oder besonders heiß. Das sind dann aber nur Durchschnittswerte, die nicht auf einzelne Tage anwendbar sind.“

Wieso sind Wettervorhersagen nie 100% genau?

Wettervorhersagen sind im Vergleich zu früher schon sehr viel besser geworden, sind aber selbst für kurzfristige Prognosen nie 100% genau. Das hat verschiedene Gründe.

Zum einen liegt das daran, dass Wettermodelle nicht alle physikalischen Prozesse ganz präzise simulieren können. Dies führt besonders bei Niederschlägen und Wolkenbedeckungen zu Ungenauigkeiten der Prognosen. Zum anderen kann man nie den ganz genauen Ist-Zustand des Wetters messen. Wie vorhin erklärt basieren alle Prognosen auf den Messdaten des aktuellen Zustands. Aber nicht überall stehen solche Messstationen, weshalb der Ist-Zustand nicht in jeder Region gleich gut bekannt ist. Besonders die Südhalbkugel mit den weiten Flächen an Wasser und die Arktis sind nur mit sehr wenigen Messtationen ausgestattet. Dabei haben auch diese Regionen einen sehr großen Einfluss auf das globale Wetter. Beispielsweise hat die Arktis einen großen Einfluss auf das Wetter in Mitteleuropa. Hinzu kommt, dass selbst wenn eine Messstation ganz präzise kalibriert und eingestellt ist, sie nie die ganz genauen Werte der verschiedenen Wettervariablen erfassen kann.

Hier entsteht auch das nächste Problem: schon die kleinsten Abweichungen in den Messwerten des Ausgangszustands oder Veränderungen in der Atmosphäre beeinflussen das Ergebnis der Wettermodelle extrem. Vor allem bei Berechnungen über mehrere Tage hinweg. Hier spricht man vom sogenannten “butterfly effect“, also Schmetterlings-Effekt. Ensemble Modelle können den butterfly effect etwas abschwächen, weil sie viele Szenarios mit jeweils verschiedenen Abweichungen des Ist-Zustandes berechnen.

„Ein Ereignis, das den butterfly effect beim Wetter sehr gut zeigt, ist der Orkan Lothar, der 1999 um Weihnachten herum in Europa viel Schaden angerichtet hat“, erzählt Luca Mathias. Das deutsche Wettermodell hatte diesen damals gar nicht auf dem Schirm. Grund dafür war ein einziger Messwert einer Messstation auf einem Schiff im Atlantik. Durch einen Filterungsprozess, der von Computern durchgeführt wird, um falsche oder unplausible Messungen zu verwerfen, wurde ein sehr wichtiger Messwert des Luftdrucks dieser Station nicht in die Berechnungen mit einbezogen. Da Deutschland zudem damals noch kein Ensemble-Wettermodell hatte, hat dies zu einer falschen Wettervorhersage geführt, die den Orkan nicht vorhersah.“

Aber auch in Zukunft werden wir niemals 100% zuverlässige Wettervorhersagen haben, meint Luca Mathias. „Unsere Atmosphäre ist einfach kein lineares, also kein zu 100% vorhersehbares System. Selbst mit der performantesten Technik für Berechnungen und Vermessungen wird es nie eine hundertprozentige Sicherheit geben.“

Im Winter sind Wetterprognosen im Mittel akkurater als im Sommer, zumindest für die Nordhemisphäre. Großflächiger Regen oder Schnee im Winter kann zum Beispiel besser vorhergesehen werden als lokale und kurze Schauer, wie wir sie im Sommer kennen. Hinzu kommt, dass es im Sommer öfter zu Gewittern kommt, die allgemein sehr schwierig vorhersehbar sind.

Meine App sagt 10% Regenwahrscheinlichkeit voraus - was heißt das jetzt genau?

„Diese Frage ist leider sehr schwierig zu beantworten“, sagt selbst der Meteorologe. „Das liegt daran, dass Apps oft nicht transparent sind in dem was sie genau anzeigen. Zum Beispiel kann es sein, dass 10% Regenwahrscheinlichkeit heißt, dass es in der Vergangenheit unter denselben Bedingungen des aktuellen Wetterstands in 10% der Fälle Regen gegeben hat. Diese 10% würden also auf Statistiken der Vergangenheit beruhen. Genauso gut kann es aber auch sein, dass die Apps eine Vielzahl an Szenarien für die Zukunft berechnet haben, und in 10% der Szenarien ergaben die Berechnungen Regen. Das wäre die sicherste Vorhersage, ist bei den allermeisten Apps aber nicht der Fall. Und dann gibt es noch die Möglichkeit, dass die Apps mit 10% meinen, dass es 10% des Tages lang regnet. Das kann ganz schön verwirrend sein.“

Der Meteorologe rät deshalb, sich auf guten Internetseiten zu informieren, welche von Experten kontinuierlich überprüft und angepasst werden. Doch auch hier, oder auch im Radio oder Fernsehen passieren manchmal Missverständnisse bei der Kommunikation. „Wenn Regenschauern für den Tag vorhergesagt sind, heißt das zum Beispiel nicht, dass es in ganz Luxemburg zeitweise regnen wird. Das heißt, dass es in bestimmten Regionen zu Regenschauern kommen kann, die Regionen aber nicht unbedingt genau definierbar sind.“

Vorhersage „gefühlt wie“: Fühlen sich 30 Grad immer gleich warm an?

Bei manchen Wettervorhersagen werden zwei Zahlen für die Temperatur angegeben, wobei bei der zweiten dann steht „gefühlt wie“. Wieso fühlen sich 30 Grad manchmal wie 28 und manchmal wie 33 an? Hier spricht man auch vom sogenannten Heat-Index: Wir nehmen Hitze nicht immer gleich stark war. Das liegt vor allem an der Luftfeuchtigkeit. Unser Körper kühlt sich durch die Verdunstung unseres Schweißes auf der Haut ab. Diese Verdunstung funktioniert besonders gut, wenn die Luft sehr trocken ist. Die Hitze ist dann gut auszuhalten. Umgekehrt, wenn es eine hohe Luftfeuchtigkeit gibt, kann der Schweiß nicht gut verdunsten und die Hitze fühlt sich sehr unangenehm an. Dann sagen wir auch, dass das Wetter „schwül“ oder „drückend“ ist.   

Andere Hitzeindizes berücksichtigen dann noch den Wind. Bei viel Wind verdunstet unser Schweiß auch sehr gut. Dieses Gefühl kennt jeder, wenn man im Sommer eine kühle Brise abbekommt. Dies ist Luft, die sich kühl anfühlt, da unser Schweiß mit der Luft verdunstet und unsere Haut abkühlt.

Wie werden die Wettervorhersagen für Luxemburg gemacht?

Die Wettervorhersagen in Luxemburg werden mit Hilfe unserer Nachbarn gemacht. „Wir basieren uns hierfür oft auf die deutschen, französischen, belgischen und auch manchmal auf die niederländischen Wettermodelle. Diese decken in ihren Berechnungen auch das ganze Gebiet Luxemburgs mit ab. In Kombination mit dem europäischen Modell können wir dann recht genaue Vorhersagen für Luxemburg treffen.“ Unser kleines Land hat nämlich keinen eigenen Supercomputer, der uns eigene Wettermodelle berechnen würde. „Das liegt daran, dass der hohe Aufwand, der solch eine Infrastruktur mit sich bringt, sich einfach nicht lohnen würde, wenn wir sowieso auf die Daten aus anderen Ländern zurückgreifen können. Für einen eigenen Computer müsste nämlich ein eigenes technisches Programm geschrieben werden, die Server müssten regelmäßig gewartet werden und jemand müsste sich danach auch um die Datenmanipulation kümmern. Dazu haben wir zurzeit nicht die Kapazitäten und Ressourcen.“

Luxemburg hat jedoch eine eigene meteorologische Messstation auf dem Flughafen Findel. Hier werden seit 1947 kontinuierlich eine Vielzahl an atmosphärischen Parametern, wie zum Beispiel die Lufttemperatur, Niederschlag, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit oder Sonneneinstrahlung gemessen. Mit diesen Werten werden keine Prognosen erstellt, sondern Statistiken. Hierzu gehören monatliche Berichte über das vergangene Wetter, die Erstellung von Referenzwerten über gewisse Zeiträume sowie die klimatologischen Dekaden-, Monats-, Jahreszeiten- und Jahresberichte.

Wie funktioniert das europäische und das luxemburgische Warnsystem?

In Luxemburg ist der öffentliche Wetterdienst MeteoLux für die Herausgabe und Verbreitung von Unwetterwarnungen zuständig. Als Mitglied des europäischen Netzwerks Meteoalarm wird auch in Luxemburg die Wetterlage über einen Farbencode eingestuft und kommuniziert: Grün (keine Warnung aktiv), Gelb (potenzielle Gefahr), Orange (Gefahr) und Rot (extreme Gefahr). Dieser Code wird für die Wetterereignisse Regen, Wind, Hitze, Kälte, Gewitter, Schnee, Hagel und Glätte genutzt.

Für jedes dieser Ereignisse gibt es ein eigenes Einstufungssystem mit dazugehörigen Verhaltensempfehlungen. So wird beispielsweise bei 11-25cm Neuschnee innerhalb von 12 Stunden die Warnstufe Orange ausgelöst und die Benutzung von öffentlichen Verkehrsmitteln empfohlen. Bei über 25cm Neuschnee innerhalb 12 Stunden gilt Warnstufe Rot und die Empfehlung, wenn möglich, zu Hause zu bleiben. Weitere Infos zu Wetterwarnungen gibt es hier. 

Umwelteinflüsse, die ein Risiko für die Gesundheit darstellen können, sind die Ozon- und Feinstaubwerte in der Luft. Diese werden jedoch vom Umweltamt erfasst und kommuniziert.

Bei Hochwasserrisiko warnt das Wasserwirtschaftsamt. Dieses hat eigene Modelle, die berechnen, wie Flüsse und andere Gewässer auf hohe Niederschlagsmengen reagieren. Die prognostizierten Niederschlagswerte bekommen sie wiederum von verschiedenen Partnern, unter anderem MeteoLux. In Luxemburg wird an verschiedenen strategischen Stellen im Land der Pegel der Gewässer gemessen. Sagen die Modelle voraus, dass ein Pegel voraussichtlich überschritten wird, so wird der Meldedienst des Wasserwirtschaftsamtes in Bereitschaft (préalerte oder alerte) versetzt. Ab diesem Zeitpunkt werden auch schon die zuständigen Behörden und Rettungsdienste informiert und die Warnungen auf der zentralen Website für Hochwasserwarnungen inondations.lu   alle 15 Minuten aktualisiert. Weitere Informationen zum Hochwasserwarnsystem gibt es hier. 

Was hat sich seit den Überschwemmungen vom letzten Jahr geändert?

Im Juli 2021 kam es zu schweren Überschwemmungen in Mitteleuropa. Auch Luxemburg war schwer betroffen. Wettermodelle hatten zunächst Schwierigkeiten die Lage und Intensität der Niederschläge genau vorherzusagen. So hatten mehrere globale und regionale Modelle die Niederschlagsmengen im Großherzogtum zunächst unterschätzt.

Umso wichtiger ist es, dass das Warnsystem möglichst effizient ist, wenn extreme Niederschläge vorhergesagt sind. Seit den Überschwemmungen wurde an Verbesserungen des Warnsystems gearbeitet. In Zukunft soll die App „Meine Pegel“ die Nutzer über die Wasserstände und aktuelle Warnungen in den umgebenden Gebieten informieren. Für eine schnellere Übertragung von Warnmeldungen soll auch die App „GouvAlert“ sorgen, indem sie direkt Nachrichten an Benutzer schickt. Auch auf der Website inondations.lu sollen in Zukunft die Meldungen besser sichtbar sein und die Nutzer sollen über ein RSS-Feed die Möglichkeit haben, sich für Push-Nachrichten zu abonnieren.

Autorin: Lucie Zeches (FNR)

Editoren: Michèle Weber (FNR), Jean-Paul Bertemes (FNR)