Wie Wettervorhersagen erstellt werden, die wir täglich auf Fernsehbildschirmen sehen oder im Radio hören.
Meteorologie, nämlich die Wissenschaft der Atmosphäre und der Wettervorhersage, ist ein Anachronismus, der uns seit Aristoteles, dem Autor der Meteorologie, einer Abhandlung über Himmelsphänomene, überliefert ist. Damals glaubte man, dass alle Veränderungen am Himmel in einer natürlichen Sphäre stattfinden, was bedeutet, dass sie von einer Wissenschaft untersucht werden sollten. Aristoteles wählte ihren Namen in Anlehnung an das griechische Wort ta metewra (ta meteora) – „Dinge in der Luft“. Der Wissenschaftler schloss Regen und Kometen, Hagel und Meteore, Regenbögen und Polarlichter, Hydrometeore, also „Objekte“ein, die aus Wasser oder Eis bestehen. Die Sterne gehörten laut Aristoteles nicht zur Meteorologie: Sie g alten damals als bewegungslos und unveränderlich.
Im Mittel alter verfiel die Naturwissenschaft, die Erklärung von Naturphänomenen wurde zum Vorrecht der Kirche. Für mehr als tausend Jahre hörte jede Bewegung von Ideen in der Meteorologie auf, mit Ausnahme der Fantasien von Astrologen. Es gab jedoch noch eine andere eigentümliche Form der Verallgemeinerung meteorologischen Wissens – Volkszeichen des Wetters.
Mitte des 17. Jahrhunderts wurde erstmals versucht, Daten von zehn Städten gleichzeitig zu vergleichen. Die Mittel dafür wurden von Herzog Ferdinand von Toskana bereitgestellt. Die Daten dieses ersten meteorologischen Netzwerks wurden von Pferden geliefert - langsamer als der Wind, und sie wussten noch nicht, wie sie damit eine Vorhersage treffen sollten. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts wurde der erste Standard zur Aufzeichnung von Wetterbeobachtungen vorgeschlagen. Es ist einfacher geworden, sie zu verarbeiten und Archive zu erstellen - um Statistiken zu sammeln und dann zu versuchen, sie für Prognosen zu verwenden.
Erste Vorhersagen
Seit 1725 begann die neu gegründete Russische Akademie der Wissenschaften regelmäßig (zweimal und ab dem 21. März 1726 - dreimal täglich) mit instrumentellen Beobachtungen von Lufttemperatur, Luftdruck, Windrichtung und -stärke, Bewölkung, Hydrometeoren, Gewitter, Wasserhöhe, Öffnen und Einfrieren der Newa mit Hilfe des in St. Petersburg geschaffenen städtischen Netzes meteorologischer Stationen. Bald tauchten Beobachtungsstationen in anderen Teilen des Russischen Reiches auf. Russland war damals eines der wenigen Länder der Welt, in dem das System der regelmäßigen meteorologischen Beobachtungen, das Stationsnetz und der Wetterdienst auf vorbildlichem Niveau geschaffen wurden.
Anhand von Satellitenbildern, die im Internet weithin verfügbar sind, kann man die Trends in der jüngsten Bewegung atmosphärischer Wirbel und Fronten verfolgen und sie gedanklich auf die kommenden Stunden extrapolieren. Aber es ist unmöglich, anhand dieser Bilder einen oder zwei Tage im Voraus vorherzusagen.
In Europa wurde diese Idee etwas später erkannt. Am 14. November 1854 verursachte ein schrecklicher Hurrikan großen Schaden an der englisch-französischen Flotte, die Sewastopol blockierte. Viele Schiffe gingen verloren und wurden beschädigt, unter den gesunkenen Schiffen befand sich die berühmte "Black Prince", die den Sold der englischen Armee trug. Nachdem der französische Kriegsminister, Marschall Vaillant, erfahren hatte, dass dieser Hurrikan am Vortag im Mittelmeer beobachtet worden war, wandte er sich an den Direktor des Pariser astronomischen Observatoriums, Urbain Le Verrier, mit der Bitte, die Angelegenheit zu untersuchen. Er befragte Kollegen in ganz Europa nach dem Wetter vom 12. bis 14. November 1854 und erhielt mehr als 250 Antworten. Nachdem Le Verrier die Antworten verarbeitet und den Weg des Sturms verfolgt hatte, legte er Napoleon III. einen Entwurf eines großen meteorologischen Netzwerks vor, um Seeleute vor herannahenden Stürmen zu warnen. Drei Tage später legte Le Verrier mit Unterstützung des Generaldirektors für Post und Telegraphen der französischen Akademie eine Wetterkarte vor, die dem Zustand von vor wenigen Stunden entsprach. Anderthalb Monate später wurde ein Netzwerk von 13 regulären Telegrafenstationen organisiert. Zwei Jahre später trafen Telegramme aus sieben europäischen Hauptstädten ein, darunter St. Petersburg. 1858 druckte das Observatorium täglich ein internationales Bulletin.
World Wide Web
Das Wetter auf der Erde hängt direkt von der Sonne ab. Seine Strahlung erwärmt die Atmosphäre und die Erdoberfläche. Aufgrund der Heterogenität der Eigenschaften der Erdoberfläche erfolgt ihre Erwärmung ungleichmäßig, es kommt zu Temperatur- und Druckabfällen, wodurch sich Luftmassen zu bewegen beginnen. Außerdem kommen viele komplexe Mechanismen ins Spiel, die die Entwicklung des Wetters steuern (und nicht alle wurden untersucht).
Begriffe: kurz und lang
Kurzfristige (bis zu 3 Tage), mittelfristige (für eine Woche) und langfristige (für einen Monat und eine Saison) Prognosen haben unterschiedliche Berechtigung. Die Genauigkeit der Prognose hängt von vielen Faktoren ab. Zum Beispiel von der aktuellen Wetterlage – teilweise ist schon mehrere Tage im Voraus alles klar, aber es kommt auch vor, dass die Vorhersage für morgen große Schwierigkeiten bereitet. In vielen Fällen wäre es sinnvoll, die Prognose mit Schätzungen ihrer Qualität zu begleiten: zum Beispiel zu sagen, dass die Prognose heute zuverlässig sein sollte, oder umgekehrt, dass die Situation nicht eindeutig ist und das Vertrauen in die Prognose geringer als gewöhnlich ist. Außerdem werden verschiedene meteorologische Parameter mit unterschiedlicher Genauigkeit vorhergesagt (beispielsweise ist Niederschlag im Allgemeinen schwieriger vorherzusagen als die Temperatur). Es ist auch wichtig, für welche Jahreszeit und Region die Vorhersage erstellt wird.
Dringende Vorhersagen für 1-3 Tage werden jeden Tag erstellt und ihre Genauigkeit beträgt 90-95% (wenn wir von Vorhersagen für einen Monat oder einen Monat sprechen). Saison, dann liegt ihre Zuverlässigkeit weit darunter).
Prognosen für die kommende Woche werden ebenfalls jeden Tag erstellt. Das sind die sogenannten Mittelfristprognosen: Wenn neue Beobachtungsdaten auftauchen, werden die Prognosen von gestern darauf basierend verfeinert. Je näher wir also einem zukünftigen Ereignis kommen, desto klarer wird die Wetterlage. Die anfänglichen Daten sind noch nicht „vergessen“, aber die äußeren Bedingungen beginnen sich bereits auszuwirken – Wärmeströme, Feuchtigkeit, Anomalien der Meeresoberflächentemperatur.
Langfristige Prognosen (für einen Monat, für eine Saison) werden nicht so oft berechnet - ihre Erstellung erfordert erhebliche Ressourcen (je länger der Zeitraum, desto mehr Informationen werden benötigt). Die Vorhersagbarkeit in diesem Zeitintervall wird durch äußere Randbedingungen bestimmt: die Verteilung von Anomalien in der Meeresoberflächentemperatur, Bodenfeuchte, Meereis usw. Bei einer langfristigen Prognose muss man fast das gesamte Klimasystem berücksichtigen, das die Atmosphäre, den Ozean und die Oberflächenschicht des Landes umfasst. Physikalische Mechanismen, die in kurzfristigen Vorhersagen schwach wahrnehmbar sind, werden in langfristigen Vorhersagen wichtig. So benötigen wir für eine Vorhersage in ein paar Tagen Daten über das tatsächliche Wetter in einem Gebiet mit Größenordnungen von mehreren tausend Kilometer. Eine Vorhersage für eine Woche und darüber hinaus erfordert bereits Informationen über das tatsächliche Wetter rund um den Globus. Selbst für starke meteorologische Zentren ist die Berechnung von Langzeitprognosen eine ziemlich schwierige Aufgabe.
Die Beobachtung des aktuellen Wetters ist das Fundament der Wettervorhersagepyramide, die aus vielen Bausteinen besteht: bodengestützte Wetterstationen, konventionelle und spezialisierte Schiffe, Wetterbojen, die über die Weiten des Ozeans treiben, Flugzeuge und Wettersatelliten. Aus diesen Beobachtungssystemen gelangen täglich Messungen verschiedener Parameter des aktuellen Zustands der Atmosphäre in die Vorhersagezentren. Das Wetter ist politisch ungewohnt und grenzenlos, daher tauschen Meteorologen ständig Wetterbeobachtungen aus. Das ist der „Rohstoff“, aus dem anschließend mit Hilfe von Computern und Vorhersagemodellen die sogenannte numerische Wettervorhersage gewonnen wird, aus der Meteorologen Prognosen für jeden Geschmack erstellen: für morgen (dringend), für eine Woche (mittelfristig) und einen Monat (langfristig). Die Arbeit eines einheitlichen globalen Wetterbeobachtungsnetzwerks wird von der World Meteorological Organization koordiniert, der heute 187 Länder der Welt angehören.
Wo die Hurrikans toben
Tropische Wirbelstürme, auch Taifune oder Hurrikane genannt, gehören zu den zerstörerischsten Wetterereignissen. Taifune verursachen jedes Jahr große Schäden und zerstören viele Menschenleben, aber die Menschen wissen immer noch nicht, wie sie mit ihnen umgehen sollen, sodass alles, was getan werden kann, ist, den Prozess ihrer Entstehung und Bewegung zu verfolgen. Diese wichtige Aufgabe wird Satelliten wie QuikSCAT (NASA) und GOES (NOAA, National Ocean and Atmospheric Administration) übertragen. Zum besseren Verständnis der in den hohen Schichten der Atmosphäre ablaufenden Prozesse werden fliegende Höhenforschungslabore genutzt.
Die Abdeckung der Erdoberfläche durch Wetterstationen ist sehr heterogen, die meisten Stationen befinden sich im dicht besiedelten Europa, China und Nordamerika. Vergessen Sie jedoch nicht, dass 2/3 der Erdoberfläche Ozean sind und es nur Inselstationen, Wetterbeobachtungsschiffe und Bojen gibt.
In letzter Zeit spielen Satelliten mit unterschiedlichen Frequenzbändern eine wichtige Rolle bei der Wetterbeobachtung. Basierend auf diesen Informationen werden Daten zu Temperatur (IR-Bereich), Feuchtigkeit und Wind in einigen Höhen (Dopplerradar und sichtbarer Bereich) wiederhergestellt. Die Genauigkeit dieser Daten ist geringer als die von Bodenwetterstationen, aber mit Satelliten können Sie Informationen aus großen Gebieten empfangen.
Viele Branchen sind stark vom Wetter abhängig. Für den normalen Betrieb von Kraftwerken ist beispielsweise eine verlässliche Wettervorhersage absolut notwendig: Damit lässt sich die Stromproduktion planen, Überlastungen vermeiden und Ressourcen verschwenden.
In Russland gibt es mittlerweile mehr als tausend Bodenwetterstationen, die alle drei Stunden ihre Daten an territoriale meteorologische Zentren senden, sie an das Russische Hydrometeorologische Zentrum übermitteln - eines der weltweit meteorologischen Zentren im World Weather Service (zusammen mit Melbourne auf der Südhalbkugel und Washington im westlichen Teil der Nordhalbkugel), der die Datenerfassung für den östlichen Teil der Nordhalbkugel bereitstellt.
Computervorhersage
Die Beobachtungsdaten selbst sind noch keine Prognose. Nach ihrer Verarbeitung (Erkennung, Dekodierung und Primärsteuerung) erfolgt die sogenannte „objektive Analyse“. Tatsächlich ist dies die Bildung einer Reihe von Daten zu verschiedenen meteorologischen Parametern (Druck, Feuchtigkeit, Temperatur, Windgeschwindigkeit, Bewölkung) in verschiedenen Höhen in den Knoten eines regelmäßigen Breiten-Längen-Gitters. Der Name „objektiv“ist historisch gewachsen, er stammt aus der Zeit, als die Analyse „manuell“durchgeführt und mit einem Computer verglichen wurde (letzterer hieß „objektiv“).
Die Satellitenfamilie GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) ist eines der Kernelemente des nationalen US-Wetterdienstes. Weltraumfotos, die im sichtbaren oder Infrarotbereich aufgenommen wurden, ermöglichen die Echtzeitverfolgung der Bewegungen von Hurrikanen.
Dieses voluminöse "Meteogrider" dient als Ausgangsdaten für die nächste Stufe - die Erstellung einer numerischen Wettervorhersage unter Verwendung eines Vorhersagemodells, eines komplexen Computerprogramms, das ein Gleichungssystem löst, das die Dynamik der Atmosphäre beschreibt, unter Berücksichtigung verschiedener physikalischer Effekte, die in idealen Gasen nicht beobachtet werden. Das Vorhersagemodell berücksichtigt Erdrotation, Schwerkraft, Sonnenstrahlung und von der Erdoberfläche reflektierte Strahlung, Phasenübergänge von Wasser usw. Die erh altenen Lösungen erlauben bereits Vorhersagen darüber, wie sich das Wetter in naher Zukunft verh alten wird.
Unerfüllte Vorhersagen
Trotz des ganzen Netzes von Wetterstationen und Supercomputern treffen Vorhersagen jedoch manchmal nicht ein. Der Grund für Fehler kann sowohl ein Mangel an Wissen über den Zustand der Atmosphäre als auch die Unvollkommenheit von Computerprogrammen sein, die nur die wichtigsten physikalischen Prozesse berücksichtigen, die in der Atmosphäre ablaufen. „Die Leute wollen das Wetter genau wissen und akzeptieren nur ungern probabilistische Vorhersagen“, sagt Dmitry Kiktev. - Und für die Meteorologie ist die probabilistische Form der Prognosedarstellung natürlicher. Oft erweisen sich zwei alternative Vorhersagen für eine bestimmte Region als gleich wahrscheinlich. In solchen Fällen würde es sich lohnen, den Grad der Zuverlässigkeit im Voraus zu äußern – es wäre ehrlicher. Aber das würde es viel schwieriger machen, es zu verstehen.“Der eigentliche Prozess der Vorhersage kann jedoch nicht vom „menschlichen Faktor“befreit werden, da die diensthabenden Prognostiker am Ende mit der Verarbeitung numerischer Daten verbunden sind. Ihre Aufgabe ist es, die Berechnungen atmosphärischer Modelle unter Berücksichtigung lokaler Bedingungen zu ergänzen. Beispielsweise variiert der Lebenszyklus und die Vorhersagbarkeit einiger Wetterereignisse (z. B. Sturmböen, Regenstürme) von Minuten bis Stunden. Und die Möglichkeiten der numerischen Simulation solcher Prozesse sind sehr begrenzt.
Numerische Vorhersagen sind eines der komplexesten Rechenprobleme. Für solche Berechnungen reichen Computerressourcen immer nicht aus, - erklärt Dmitry Kiktev, stellvertretender Direktor des Hydrometeorologischen Zentrums der Russischen Föderation. - Mit der Zeit verbessern sich die Modelle, die Rechenleistung wächst - und die Qualität der Prognosen verbessert sich. Beispielsweise ist der Erfolg von Wettervorhersagen für drei Tage heute auf dem Niveau von Vorhersagen für einen Tag vor 30 Jahren.“
Um eine zuverlässigere Wettervorhersage zu erh alten, müssen Sie die Temperatur und Windgeschwindigkeit in verschiedenen Höhen kennen. Diese Daten können mit einer meteorologischen Sonde gewonnen werden - einem mit Helium oder Wasserstoff gefüllten Ballon, an dem ein Block aus verschiedenen Sensoren befestigt ist, und einem Datenübertragungssystem per Funk.
Letztes Wort
Aber auch das am Computer numerisch berechnete Modell des Wetterverh altens ist noch keine vollwertige Vorhersage. Dieses Modell muss evaluiert und interpretiert werden, und hier kommt man nicht ohne einen Prognostiker aus.
Mein eigenes meteorologisches Zentrum
Lange vor dem Aufkommen meteorologischer Dienste kannten die Menschen die Volkszeichen gut, die es ermöglichen, das Wetter für die nächsten ein oder zwei Tage vorherzusagen - durch das Verh alten von Wolken, Wind, die Farbe der untergehenden oder aufgehenden Sonne.
Die Messwerte eines Barometers, das den Luftdruck misst. Ziemlich genau und gleichzeitig kurz kann der Algorithmus zur Vorhersage des Wetters mit einem Barometer durch den Satz „Das Barometer fällt - auf schlechtes Wetter“ausgedrückt werden (je schneller und stärker sich der Luftdruck ändert, desto stärker ändert sich das Wetter). Das Gegenteil ist auch der Fall – steigt der Druck, dann wird das Wetter in naher Zukunft auf klar umschlagen.
Auf diesem Prinzip basieren die sogenannten „Wetterstationen“– Haush altsgeräte, die mehrere nützliche Funktionen vereinen. In der Regel ist dies ein Thermometer, das die Temperatur im Raum misst (in die Station selbst eingebaut), ein weiteres für die Außentemperatur (kabelgebunden oder drahtlos) und ein Barometer, das den Luftdruck und seine Entwicklung anzeigt. Anhand dieser Daten kann man eine mehr oder weniger wahrscheinliche Prognose für die nächsten Stunden machen. Es gibt komplexere Geräte. Die PM-Redaktion hat die Wetterstation WMR200 von Oregon Scientific seit anderthalb Monaten getestet. Dieses Modell ermöglicht den Anschluss von bis zu 10 externen drahtlosen Temperatur-/Feuchtigkeitssensoren, einem Anemometer (Windgeschwindigkeitsmesser) und einem Niederschlagssensor. Der Vorhersagealgorithmus dieser Station basiert nicht nur auf einer Trendanalyse der Druckänderungen, sondern vergleicht diese auch mit einer gespeicherten statistischen Wetterdatenbank und zieht daraus Rückschlüsse. Natürlich kann man in so ein Gerät keinen Supercomputer einbauen, die Rechenleistung ist sehr gering, aber das reicht für eine kleine Datenmenge. Daher wurden während der gesamten Testzeit Kurzzeitprognosen (für mehrere Stunden) recht erfolgreich gerechtfertigt, und nur in wenigen Fällen machte das Gerät einen Fehler in der Prognose. Die Redaktion kann also guten Gewissens solche Stationen für den Heimgebrauch empfehlen. Obwohl selbst eine sehr fortschrittliche Wetterstation wie die WMR200 natürlich nur ein Haush altsgerät ist, das solche Feinheiten wie die Umstrukturierung von Wetterphänomenen (dh einen starken Wetterwechsel) nicht berücksichtigen kann.
Voraussagende Computermodelle sind derzeit nicht in der Lage, eine Vielzahl von Wetterereignissen vorherzusagen. Dies liegt daran, dass viele Wetterphänomene (einschließlich gefährlicher) lokaler Natur und komplexer Natur sind, was derzeit kaum formal zu beschreiben ist. Aus diesem Grund werden Nebel, Graupel usw. hauptsächlich von lokalen Spezialisten vorhergesagt, die die Bedingungen für ihre Entstehung und Entwicklung in einer bestimmten Region genau kennen. Aber auch nach Analyse aller verfügbaren Informationen bleibt das letzte Wort bei der Person.
Internetwetter: kleine Tricks
Lokale Meteorologen berücksichtigen bei der Erstellung von Wettervorhersagen für „ihr“Territorium die Besonderheiten der Region und die Besonderheiten, die das Wetter beeinflussen. Wenn Sie also auf Reisen gehen, suchen Sie am besten die Website des Wetterdienstes des Landes, in das Sie reisen.
Die Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organization) hat eine spezielle Ressource im Internet, wo offizielle Daten der nationalen meteorologischen Dienste verschiedener Länder (sowie ihre Internetadressen) veröffentlicht werden. Wenn Sie sich für das Wetter in Russland interessieren, schauen Sie sich die Vorhersage für morgen besser auf der Website Ihres regionalen hydrometeorologischen Dienstes an. Wenn Sie sich mit der Vorhersage für die Woche vertraut machen möchten, sollten Sie sich die Website des Hydrometeorologischen Zentrums Russlands ansehen.
