Wettervorhersage
Die Wettervorhersage wandelt die Gesetze der atmosphärischen Physik und eine Fülle von Beobachtungen in Vorhersagen des zukünftigen Himmels um, wobei numerische Modelle, Datenassimilation und eine ehrliche Berücksichtigung von Unsicherheiten kombiniert werden.
Definition
Wettervorhersage ist die Anwendung meteorologischen Wissens und rechnerischer Methoden zur Abschätzung des zukünftigen Zustands der Atmosphäre über Zeithorizonte von Minuten bis Wochen, ausgedrückt deterministisch oder probabilistisch.
Scope
Dieser Bereich umfasst die Methoden zur Vorhersage des zukünftigen Wetters, einschließlich der numerischen Modelle, die die maßgeblichen Gleichungen zeitlich vorwärts integrieren, der Datenassimilation, die sie an Beobachtungen verankert, der Ensemble-Techniken, die Vorhersagbarkeit und Unsicherheit quantifizieren, sowie der statistischen und Nowcasting-Ansätze, die für kurze Zeiträume verwendet werden.
Sub-topics
Core questions
- Wie werden die maßgeblichen Gleichungen der Atmosphäre gelöst, um ihren zukünftigen Zustand vorherzusagen?
- Wie werden verstreute Beobachtungen mit Modellen kombiniert, um die Ausgangsbedingungen zu definieren?
- Warum ist die Wettervorhersagbarkeit begrenzt, und wie wird die Vorhersageunsicherheit quantifiziert?
- Wie werden Kurzzeit- und statistische Vorhersagen erstellt und überprüft?
Key theories
- Numerische Wettervorhersage
- Das Wetter kann durch Integration der diskretisierten primitiven Gleichungen von einem beobachteten Anfangszustand aus vorhergesagt werden, eine Idee, die von Bjerknes und Richardson vorgeschlagen und durch elektronische Computer und Datennetze praktisch umgesetzt wurde.
- Vorhersagbarkeit und sensitive Abhängigkeit
- Da die Atmosphäre ein chaotisches System ist, wachsen kleine Fehler im Anfangszustand mit der Zeit an, was eine inhärente Grenze für deterministische Vorhersagen darstellt und probabilistische, ensemblebasierte Vorhersagen motiviert.
Mechanisms
Eine Vorhersage beginnt mit der Abschätzung des aktuellen Zustands der Atmosphäre durch Datenassimilation, die eine kurze Modellvorhersage mit neuen Beobachtungen kombiniert. Ein numerisches Modell integriert dann die maßgeblichen Gleichungen auf einem Gitter zeitlich vorwärts und stellt unaufgelöste Prozesse wie Konvektion und Strahlung durch Parametrisierungen dar. Da anfängliche Fehler wachsen, werden viele Vorhersagen von leicht unterschiedlichen Startpunkten und Modellkonfigurationen aus durchgeführt, wodurch ein Ensemble gebildet wird, dessen Streuung die Unsicherheit quantifiziert; statistische Nachbearbeitung und schnell aktualisierte Nowcasts verfeinern Vorhersagen für kurze Zeiträume.
Clinical relevance
Wettervorhersagen schützen Leben und Eigentum und sind die Grundlage für Luftfahrt, Landwirtschaft, Energie, Wassermanagement und Katastrophenschutz; die stetige Verbesserung der numerischen Vorhersage, oft als stille Revolution bezeichnet, hat präzise Vorhersagen um etwa einen Tag pro Jahrzehnt erweitert und probabilistische Leitlinien zu einem zentralen Element der Entscheidungsfindung gemacht.
History
Vilhelm Bjerknes formulierte die Wettervorhersage um 1904 als ein berechenbares Anfangswertproblem, und Lewis Fry Richardson versuchte in den 1920er Jahren eine manuelle Berechnung; die ersten erfolgreichen numerischen Vorhersagen gelangen Charney und von Neumann mit ENIAC-Berechnungen um 1950. Lorenz' Entdeckung des Chaos in den 1960er Jahren definierte die Vorhersage als inhärent probabilistisch neu, und wachsende Rechenleistung, globale Beobachtungen und Datenassimilation führten zu den heutigen ensemblebasierten operationellen Systemen.
Key figures
- Vilhelm Bjerknes
- Lewis Fry Richardson
- Jule Charney
- Edward Lorenz
Related topics
Seminal works
- kalnay2003
- lorenz1963
Frequently asked questions
- Warum sind Wettervorhersagen über etwa eine Woche hinaus weniger zuverlässig?
- Die Atmosphäre ist chaotisch, daher wachsen winzige Unsicherheiten in den Ausgangsbedingungen schnell an; nach etwa ein bis zwei Wochen überlagern diese Fehler die Vorhersage und setzen eine praktische Grenze für die tägliche Vorhersagbarkeit, die durch keine Rechenleistung beseitigt werden kann.
- Was bedeutet eine prozentuale Regenwahrscheinlichkeit eigentlich?
- Es handelt sich um eine probabilistische Vorhersage, die oft aus einem Ensemble von Modellläufen oder statistischen Methoden abgeleitet wird und die Wahrscheinlichkeit messbarer Niederschläge an einem Ort ausdrückt; eine 30-prozentige Wahrscheinlichkeit bedeutet, dass in ähnlichen Situationen etwa dreimal von zehn Regen auftritt.