Wettermodelle

Egal ob eine Wettervorhersage von einem erfahrenen Meteorologen erstellt wird oder autonom von einer App, zugrunde liegen stets numerische Wettermodelle. Dabei handelt es sich um komplexe Programme, die die für das Wetter verantwortlichen physikalischen Prozesse in der Atmosphäre beschreiben. Ihre Aufgabe ist es, gemessene Wetterdaten, die ja nicht für jeden Ort der Welt existieren, für bestimmte Orte oder Gebiete zu interpolieren und meteorologisch zu modellieren, um für diese eine Vorhersage zu erstellen. 

Wettermodelle gibt es viele. Sie lassen sich grob unterscheiden in:

• globale, großräumige und regionale Modelle
• hochauflösende und weniger hochauflösende Modelle
• Modelle, die für 1-2 Tage und solche, die auch für eine Woche oder mehr gute Vorhersagen liefern

Was es damit auf sich hat, will ich versuchen, kurz darzustellen.

Globale, großräumige und regionale Modelle

Nicht jedes Wettermodell deckt die komplette Erde ab. Ein Modell kann den ganzen Globus, eine Großregion wie Europa oder nur ein einzelnes Land und seine umgebenden Nachbarländer beschreiben. Um das Vorhersagegebiet topografisch möglichst genau zu definieren, wird es im Modell in gleich große horizontale Flächen (Quadrate oder Dreiecke) sowie mehrere vertikale Ebenen zerlegt.

Da die Anzahl der Gitterflächen die erforderliche Großrechnerbelastung sehr stark erhöht, kann naturgemäß die Größe der Gitterflächen umso kleiner sein, je kleiner das Modellgebiet ist. Bei kleineren Gitterflächen spricht man von feinerer Auflösung: Jeder Fläche werden sowohl feste topografische Charakteristika (etwa Höhe, Bodenbeschaffenheit, Pflanzenbewuchs und Bodenfeuchte) als auch variable, gemessene Wetterdaten (Luftdruck, Temperatur, Wind, Luftfeuchte, Niederschlag, Bewölkung, etc.) zugewiesen.

Diese Wetterdaten müssen in der jeweiligen Gitterfläche gemittelt und ggfl. an die jeweilige mittlere Höhe umgerechnet werden.

Hochauflösende und weniger hochauflösende Modelle

Für Europa ist der Einsatz von kontinentalen Modellen wie ICON-EU  und ECMWF sinnvoll. Beide Modelle liefern sehr gut zutreffende Vorhersagen auch für mehrere Tage. Die Auflösung liegt bei 6km beim ICON-EU und bei 9km beim ECMWF Modell. Der norwegische Wetterdienst nutzt aber eine sog. „Ensemble“-Version des ECMWF. Dabei wird neben dem eigentlichen Hauptlauf mit den ursprünglichen gemessenen und interpolierten Werten der Ausgangszustand geringfügig variiert. Mit den neuen Daten lässt man das Modell erneut durchlaufen. Das wiederholt man rd. 50 Mal und erhält so zahlreiche Prognosen für den Zustand der Atmosphäre in der Zukunft. Dabei gilt: Je ähnlicher die einzelnen Ensembleberechnungen sind, desto sicherer ist die Prognose. Damit wird die Zuverlässigkeit erhöht.

Die Aktualisierung ist bei ICON-EU kürzer (3h) als beim norwegischen ECMWF (12h).

Regionale Modelle, also z.B. ICON-D2 des Deutschen Wetterdienstes (DWD) für Deutschland oder das MEPS der skandinavischen Länder sind hoch aufgelöste Modelle für wenige Länder mit einer Auflösung von nur 2,1 – 2,5km.

Die norddeutsche Küste wird sowohl vom ICON-D2 Modell als auch vom skandinavischen MEPS Wettermodell abgedeckt. ICON-D2 ist jedoch das für Deutschland beste fein aufgelöste Modell. Es wird allerdings nur alle 3h aktualisiert, beim MEPS gibt es jede Stunde aktualisierte Daten.

Je feiner die Maschenweite des Gitters ist, desto kleinräumigere atmosphärische Prozesse können mit dem Modell berücksichtigt werden und umso genauer kann auch die Vorhersage sein.

Kurzfristige und längerfristige Vorhersagen: Der Einfluss des Chaos

Frage: Wenn ein feiner aufgelöstes Modell bessere Vorhersagen als ein gröberes liefert, warum werden dann letztere überhaupt noch eingesetzt?

Antwort: Weil in einem feiner aufgelösten Modell mehr Mittlungen, Näherungen und Interpolationen einfließen und es daher nur kurzfristige Aussagen erlaubt.

Dies deswegen, weil ja jede Gitterfläche mit Daten versorgt werden muss. Die Dynamik des Wetters ist aber im Zeitverlauf chaotisch: „Anfangs kleine Fehler können sich mit der Zeit potenzieren. Und da ein feines Modell von Anfang an in der Summe viel mehr kleine Fehler enthält als ein grobes, können sich diese Abweichungen gegenseitig regelrecht aufschaukeln. Anders gesagt: Lokalmodelle mit einem engen Raster laufen deutlich schneller aus dem Ruder als die gröberen Globalmodelle.“ (Quelle: Meteomodelle besser verstehen)

Am genausten ist also die Kombination eines fein aufgelösten, regionalen Modells für die kommenden zwei Tage, mit einem großräumigen Modell für die Zeit danach. Der DWD setzt dies mit ICON-D2 plus ICON-EU um, der norwegische Wetterdienst setzt dazu MEPS plus (Ensemble)-ECMA ein. Das französische Modell-Duo AROME (plus ARPEGE-Europe) ist mit 1,3km besonders hoch aufgelöst und auch für Deutschland brauchbar.

In Wattpaddler stelle ich die für Norddeutschland besten dualen Modelle in einer Grafik nebeneinander: die Vorhersagen des DWD sowie die des norwegischen Wetterdienstes Yr.no:

Durch Klick auf die beiden Dienste Buttons oben („DWD“ und „YR“) werden deren Stundenwerte tabellarisch angezeigt:

Ausblick: Modelle anderer Apps

Auf Smartphones vorinstallierte Wetter Apps sollen Daten für die ganze Erde liefern und setzen daher meist auf das globale GFS Modell. Dieses besitzt nur eine Auflösung zwischen 13 und 27km und ist auf den amerikanischen Flächenkontinent hin optimiert.

Aber auch die meisten Wetter Apps in den Stores bieten keine Kombination eines kurzfristigen hochaufgelösten und eines anerkannt guten europäischen Modells (ECMWF und ICON-EU) – oft auch nicht in den kommerziellen Varianten. Oder sie haben andere Nachteile.

Eine Übersicht:

• „AccuWeather“: Angeblich viele Modelle, jedoch ohne weitere Angaben. Unübersichtlich, keine intuitive Angabe der Windrichtung, viel Werbung.
• „Meteoblue“: Multi-Modell, britisches UKMO als Feinmodell für Westeuropa. Keine Angaben zu Böen, lästige Werbung.
• „Meteomatics“: Stellt nicht nur Daten der großen Wetterdienste bereit, sondern betreibt eigenes hochauflösendes Modell (1 km), plus ECMWF. Kostenlose, werbefreie App. Gut für den Alltag.
• „Pflotsh SuperHD“: Kachelmanns App mit visuellem Vergleich von drei Modellen. Angabe der Windstärke nur über Farben (ungenau). Keine kostenlose Version, unübersichtlich.
• „Today Weather“: schicke App, bei der aus 10 verschiedenen Wetteranbietern ausgewählt werden kann. Das genaue Modell wird dabei aber nicht genannt. Windrichtung kategorisiert („West-Südwest“).
• „WeatherPro“:  Multi-Modell, basiert auf ECMWF, GFS und britischem UKMO. Übersichtliches Widget. Vorteil: Gewitterwarnungen! Übersichtliches Widget. Gut für den Alltag.
• „Wetteronline Pro“: ECMWF, kein zusätzliches hochauflösendes Modell.
• „Wetter.com“: Statement zu Modellen: „Es gibt bisher kein Vorhersageverfahren, das die ganze Welt gleich gut bedienen kann, sowohl was die räumliche als auch die zeitliche Auflösung betrifft. Deshalb haben wir uns dazu entschieden, mehrere Verfahren zu kombinieren. Dazu werden Basisdaten aus Vorhersagemodellen verwendet, die die ganze Welt abdecken und für regionale Besonderheiten durch spezialisierte Regionalmodelle unterstützt werden. So können die jeweiligen Stärken der einzelnen Modelle genutzt werden: z.B. regionale Modelle mit besonders hoher räumlicher Auflösung (bis zu 2 km), globale Modelle mit besonders langem Prognosezeitraum (bis zu 16 Tage) und statistische Modelle zur Korrektur von lokalen Besonderheiten. Als Basisdaten verwenden wir derzeit GFS (NOAA), ICON (DWD), ECMWF, MOS (DWD), Europa Regionalmodell ICON EU NEST (DWD) sowie bei Bedarf weitere Regionalmodelle. Auf diese Basisdaten werden dann punktgenau für jeden Ort unsere eigenen Prognoseverfahren angewendet, die die Qualität nochmals erhöhen, z.B. in dem ein hochaufgelöstes (250 m) Höhenmodell der Landschaft eingerechnet wird.“ Gute App mit Radar und Widget!
• „Wetter.de“: keine Angaben zu Modellen. Für Böeninfos ist ein zusätzlicher Klick nötig. Keine Konfiguration von Einheiten.
• „Wetter Deutschland XL“: „We work with Foreca for data and also have our own data“ (Selbstauskunft). Anzeige unübersichtlich. Windrichtungen auf voller 45° gerundet.
• „Windfinder“: In der Standardversion nur GFS (13 km), in der kostenpflichtigen Pro zusätzlich ein nicht benanntes, feineres Modell („Superforecast“), allerdings nur mit einer Auflösung von 7 km.
• „WindHub“: Nur kommerziell. GFS (27 km) plus weltweites (13 km) und europäisches ICON (7 km). Kein hochauflösendes Modell.
• „Windy“: Standardmäßig ECMWF. Es können aber andere Modelle ausgewählt werden, darunter ICON-D2, das britische UKMO („UKV“) und das französische AROME. Dazu gibt es eine übersichtliche Vergleichsfunktion. Das bevorzugte Wettermodell kann nicht in den Einstellungen gespeichert und muss bei jedem Start neu ausgewählt werden. Insgesamt eine gute, wenn auch umständlich zu bedienende App. Meteorologisch Vorgebildete können mit den etwas versteckten aber sehr weitreichenden Informationen exakte Vorhersagen erstellen.
• „DWD Warnwetter“: anfangs eine reine Warnwetter-App sind heute auch vollständige Wettervorhersagen enthalten. Modelle: ICON-D2, ICON-EU sowie MOSMIX. Daher gibt es Abweichungen zu den DWD-Daten in Wattpaddler.
• „Yr“ (Norwegisch: „Nieselregen“): Die beste App für Skandinavien und das hier beschriebene Gebiet (deckt die norddeutsche Küste ab). Kombination aus hochauflösendem regionalen Modell (2,5 km) mit stündlicher Aktualisierung für die nächsten zwei Tage, danach ECMWF in der besonders genauen, sog. Ensemble (s.o.) Variante. Übersichtliches Widget. Hinweis: Außerhalb der Modellgrenzen wird nur ECMWF eingesetzt!