Wie entsteht eine Wettervorhersage?

Wer morgens auf das Smartphone schaut, sieht meist nur eine Zahl, ein Wettersymbol und vielleicht eine Regenwahrscheinlichkeit. Hinter dieser scheinbar einfachen Vorhersage steckt jedoch ein aufwendiger Prozess. Wetterstationen, Satelliten, Wetterballons und Radaranlagen erfassen den aktuellen Zustand der Atmosphäre, leistungsfähige Wettermodelle berechnen daraus ihre weitere Entwicklung. Erst aus dem Zusammenspiel dieser Daten entsteht eine belastbare Wetterprognose.

Eine Wettervorhersage beginnt also lange bevor irgendwo Sonne, Wolken oder Regentropfen auf einer Wetterkarte erscheinen. Zunächst muss möglichst genau bekannt sein, wie die Atmosphäre zu diesem Zeitpunkt aussieht. Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit und Wind verändern sich ständig und zwar nicht nur am Boden, sondern auch in mehreren Kilometern Höhe.

Die Beobachtung der Atmosphäre ist der Ausgangspunkt

Ein wichtiger Teil dieser Beobachtung stammt von Wetterstationen. Sie messen unter anderem Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Niederschlag. Solche Messwerte zeigen sehr genau, was an einem bestimmten Standort tatsächlich passiert.

Für eine Wettervorhersage reichen Bodenmessungen allein jedoch nicht aus. Die Atmosphäre ist dreidimensional. Deshalb steigen an zahlreichen Orten regelmäßig Wetterballons mit Radiosonden auf. Während ihres Aufstiegs messen sie Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck und Wind bis weit hinauf in die Atmosphäre. Auf diese Weise entstehen vertikale Profile, die für die Beurteilung der Wetterlage von großer Bedeutung sind.

Hinzu kommen Wettersatelliten. Sie beobachten große Teile der Erde und liefern Informationen über Wolken, Wasserdampf, Temperaturverteilungen, Schnee, Eis oder die Oberfläche der Meere. Gerade über den Ozeanen und dünn besiedelten Regionen, in denen nur wenige klassische Messstationen vorhanden sind, sind Satellitendaten unverzichtbar.

Das Wetterradar zeigt, wo es tatsächlich regnet

Eine besondere Rolle spielt das Wetterradar. Radaranlagen senden elektromagnetische Signale aus, die von Regentropfen, Schneeflocken oder Hagelkörnern teilweise zurückgeworfen werden. Aus der Stärke und Struktur dieser Signale lässt sich ableiten, wo Niederschlag auftritt und wie intensiv er ungefähr ist.

Mehrere aufeinanderfolgende Radarbilder zeigen außerdem, wie sich Regengebiete, Schauer oder Gewitter verlagern. Gerade für die nächsten Minuten und wenigen Stunden kann diese aktuelle Beobachtung entscheidender sein als eine klassische Modellprognose. Ein Wettermodell kann beispielsweise für eine Region Gewitter berechnen. Erst das Radar zeigt jedoch, wo sich tatsächlich Zellen gebildet haben und wohin sie ziehen.

Für kurzfristige Wetterbeobachtungen werden deshalb Modellprognosen, aktuelle Messwerte und Radardaten gemeinsam betrachtet.

Wie aus Messwerten ein Wettermodell entsteht

Die gesammelten Wetterdaten liegen zunächst sehr ungleichmäßig verteilt vor. Eine Wetterstation liefert Werte an einem bestimmten Punkt, eine Radiosonde misst entlang ihres Aufstiegs und ein Satellit beobachtet große Flächen aus dem Weltraum. Ein Wettermodell benötigt dagegen für sein gesamtes Berechnungsgebiet einen möglichst vollständigen dreidimensionalen Ausgangszustand.

Deshalb werden Beobachtungen und bereits vorhandene Modellinformationen miteinander verbunden. Dieser Vorgang wird als Datenassimilation bezeichnet. Dabei entsteht eine mathematische Beschreibung der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Diese sogenannte Analyse bildet den Startpunkt für die eigentliche Modellrechnung. Je genauer der Ausgangszustand erfasst wird, desto besser sind grundsätzlich die Voraussetzungen für die anschließende Prognose.

Wettermodelle berechnen die weitere Entwicklung

Die Atmosphäre folgt physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Luft bewegt sich aufgrund von Druckunterschieden, Wasserdampf kondensiert zu Wolken, Sonneneinstrahlung erwärmt den Boden und Luftmassen tauschen Wärme und Feuchtigkeit miteinander aus. Wettermodelle versuchen, diese Vorgänge mathematisch zu beschreiben.

Dafür wird das Berechnungsgebiet in ein dreidimensionales Raster unterteilt. Für die einzelnen Gitterpunkte berechnet das Modell unter anderem Temperatur, Luftdruck, Wind, Feuchtigkeit, Wolken und Niederschlag. Diese Berechnungen werden in kurzen Zeitschritten immer wieder durchgeführt.

Aus dem aktuellen Zustand entsteht dadurch Schritt für Schritt eine Prognose für die kommenden Stunden und Tage. Dafür sind enorme Rechenleistungen notwendig. Moderne Wettermodelle gehören deshalb zu den anspruchsvollsten Anwendungen auf Hochleistungsrechnern.

Warum es mehrere Wettermodelle gibt

Weltweit betreiben verschiedene Wetterdienste und Forschungszentren eigene numerische Wettermodelle. Für Deutschland und Mitteleuropa sind unter anderem die Modelle ICON und ICON D2 des Deutschen Wetterdienstes, das IFS des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage sowie das amerikanische GFS von Bedeutung.

Diese Modelle unterscheiden sich in zahlreichen Punkten. Dazu gehören die räumliche Auflösung, die Größe des Berechnungsgebietes, der Prognosezeitraum, die Zahl der vertikalen Schichten und die mathematische Beschreibung verschiedener atmosphärischer Prozesse.

Ein Modell mit hoher räumlicher Auflösung kann kleinräumige Wetterstrukturen detaillierter darstellen. Das bedeutet allerdings nicht, dass jede einzelne Prognose automatisch besser sein muss. Auch ein hoch aufgelöstes Modell kann ein Tiefdruckgebiet etwas zu weit nördlich berechnen oder den Schwerpunkt eines Gewittergebiets um einige Kilometer verschieben.

Gerade solche kleinen Unterschiede können für einen einzelnen Ort große Auswirkungen haben.

Weshalb sich Modellprognosen unterscheiden können

Die Atmosphäre ist ein komplexes und teilweise chaotisches System. Schon geringe Unterschiede im Ausgangszustand können sich im Laufe der Zeit verstärken. Deshalb ist es völlig normal, dass verschiedene Wettermodelle für denselben Tag unterschiedliche Entwicklungen berechnen.

Ein Tiefdruckgebiet kann beispielsweise in einem Modell etwas weiter nördlich ziehen, während ein anderes eine südlichere Zugbahn berechnet. Damit verändert sich auch, welche Regionen Regen, Wind oder sonnige Abschnitte bekommen.

Noch deutlicher wird dieses Problem bei Schauern und Gewittern. Eine Gewitterzelle kann nur wenige Kilometer breit sein. Eine kleine räumliche Verschiebung entscheidet dann darüber, ob ein Ort kräftigen Starkregen erhält oder nahezu trocken bleibt.

Aus diesem Grund sollte eine Wetterprognose nicht ausschließlich auf einem einzelnen Modelllauf beruhen.

Warum verschiedene Wetter Apps unterschiedliche Werte zeigen

Viele Nutzer wundern sich, wenn zwei Wetter Apps für denselben Ort unterschiedliche Temperaturen oder Regenwahrscheinlichkeiten anzeigen. Dafür gibt es mehrere mögliche Ursachen.

Die Anbieter verwenden möglicherweise unterschiedliche Wettermodelle oder gewichten diese verschieden. Hinzu kommt, dass die Modelle ihre Werte zunächst für bestimmte Rasterpunkte berechnen. Der tatsächliche Ort liegt jedoch häufig zwischen diesen Punkten oder befindet sich auf einer anderen Höhenlage.

Die Modelldaten müssen deshalb auf den jeweiligen Standort übertragen werden. Je nach verwendetem Verfahren können dabei unterschiedliche Temperatur, Wind oder Niederschlagswerte entstehen.

Besonders deutlich ist dieser Effekt in Gebirgen und Tälern. Ein Modellraster kann beispielsweise eine mittlere Geländehöhe von 600 Metern besitzen, während der tatsächliche Ort auf 300 oder 900 Metern liegt. Ohne entsprechende Korrektur kann die vorhergesagte Temperatur dadurch merklich vom tatsächlichen lokalen Wetter abweichen.

Hohe Modellauflösung bedeutet nicht automatisch Ortsgenauigkeit

Ein häufiges Missverständnis betrifft die Auflösung eines Wettermodells. Wenn ein Modell eine Rasterweite von wenigen Kilometern besitzt, bedeutet das nicht, dass das Wetter innerhalb jedes einzelnen Rasterfeldes überall gleich sein muss.

In einem Mittelgebirge können auf wenigen Kilometern Entfernung große Höhenunterschiede auftreten. Täler können sich nachts deutlich stärker abkühlen als benachbarte Höhenlagen. Im Sommer kann sich über einem Ort ein Gewitter entwickeln, während wenige Kilometer entfernt die Sonne scheint.

Besonders schwierig sind deshalb kleinräumige Wettererscheinungen wie Gewitter, Starkregen, Nebel, lokale Windsysteme oder die exakte Lage einer Schneefallgrenze. Modelle können die dafür notwendigen großräumigen Bedingungen häufig gut erfassen, den genauen Ort und Zeitpunkt aber nicht immer mehrere Tage im Voraus bestimmen.

Ensemble Prognosen zeigen die Unsicherheit

Ein einzelner Modelllauf vermittelt nur eine mögliche Entwicklung der Atmosphäre. Um zu erkennen, wie sicher oder unsicher eine Prognose ist, werden deshalb sogenannte Ensemble Prognosen berechnet.

Dabei startet das Wettermodell mehrfach mit geringfügig veränderten Ausgangsbedingungen. Auf diese Weise entstehen viele verschiedene Modellläufe für denselben Zeitraum. Entwickeln sich diese Berechnungen sehr ähnlich, ist die Wetterlage vergleichsweise stabil vorhergesagt.

Driften die Lösungen dagegen zunehmend auseinander, steigt die Unsicherheit. Für den zehnten Prognosetag können beispielsweise einige Ensemble Mitglieder deutlich wärmere Luft berechnen, während andere einen kühleren Wetterabschnitt zeigen.

Eine einzelne Temperaturangabe würde in einer solchen Situation eine Genauigkeit vortäuschen, die tatsächlich noch nicht vorhanden ist.

Radar und Wettermodelle ergänzen sich

Wettermodelle und Wetterradar erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Das Modell versucht, die zukünftige Entwicklung der Atmosphäre zu berechnen. Das Radar beobachtet dagegen, was beim Niederschlag aktuell tatsächlich geschieht.

Für eine Prognose über mehrere Tage sind Wettermodelle unverzichtbar. Je näher ein Wetterereignis rückt, desto stärker gewinnen aktuelle Beobachtungen an Bedeutung. Bei einer Gewitterlage kann drei Tage zuvor vor allem die grundsätzliche Gewittergefahr abgeschätzt werden. Einige Stunden vorher zeigen hoch aufgelöste Modelle mögliche Schwerpunkte. Wenn die ersten Gewitter entstehen, liefern schließlich Radar und Messstationen die wichtigsten Informationen über ihre tatsächliche Entwicklung.

Genau deshalb verändert sich auch die Art der Wettervorhersage mit zunehmender Nähe zum Ereignis.

So arbeitet Blick aufs Wetter mit den Daten

Für die Wettervorhersagen, Karten und aktuellen Analysen auf Blick aufs Wetter werden verschiedene meteorologische Informationsquellen verwendet. Dazu gehören unter anderem die numerischen Wettermodelle ICON D2, GFS und ECMWF IFS sowie aktuelle Stationsmessungen und Radardaten.

Welche Daten besonders wichtig sind, hängt von der jeweiligen Wetterlage und vom Prognosezeitraum ab. Bei einer ruhigen Hochdrucklage lassen sich Temperatur und großräumige Bewölkungsverhältnisse häufig schon mehrere Tage im Voraus recht zuverlässig abschätzen.

Bei einer sommerlichen Gewitterlage sieht das anders aus. Die Modelle können bereits früh Hinweise auf feuchte und instabile Luft liefern, trotzdem bleibt zunächst offen, an welchen Orten sich tatsächlich Gewitter entwickeln. Mit zunehmender zeitlicher Nähe werden deshalb aktuelle Messwerte, Radarentwicklungen und neuere Modellläufe immer wichtiger.

Auch der Vergleich verschiedener Wettermodelle spielt eine Rolle. Zeigen mehrere Modelle und aufeinanderfolgende Berechnungen eine ähnliche Entwicklung, steigt die Prognosestabilität. Größere Unterschiede zwischen den Modellen weisen dagegen darauf hin, dass der weitere Wetterverlauf noch nicht sicher feststeht.

Warum sich Wettervorhersagen verändern

Wettermodelle werden mehrmals täglich mit neuen Ausgangsdaten berechnet. Damit fließen aktuelle Beobachtungen in jede neue Prognose ein.

Eine Wettervorhersage für Freitag kann deshalb am Montag anders aussehen als am Mittwoch. Das ist kein Widerspruch, sondern eine Folge neuer Informationen über den tatsächlichen Zustand der Atmosphäre.

Je näher der betreffende Termin rückt, desto mehr aktuelle Messdaten stehen zur Verfügung. Gleichzeitig verkürzt sich der Zeitraum, über den sich kleine Fehler in der Modellrechnung verstärken können.

Bei stabilen Wetterlagen fallen solche Änderungen häufig gering aus. Bei schnell wechselnden Tiefdrucklagen oder Gewittersituationen können die Unterschiede zwischen einzelnen Modellläufen dagegen erheblich sein.

Wie zuverlässig ist eine Wettervorhersage?

Eine allgemeingültige Zahl für die Zuverlässigkeit gibt es nicht. Entscheidend sind sowohl der Vorhersagezeitraum als auch die Wetterlage.

Großräumige Hochdruckgebiete oder markante Kaltfronten können teilweise schon mehrere Tage vorher gut erkannt werden. Schwieriger sind kleinräumige Prozesse. Ob beispielsweise an einem Sommernachmittag genau über einer bestimmten Stadt ein Gewitter entsteht, lässt sich häufig erst kurzfristig genauer abschätzen.

Mit zunehmendem Prognosezeitraum wächst grundsätzlich die Unsicherheit. Deshalb sollte eine längerfristige Vorhersage weniger als exakte Beschreibung eines einzelnen Ortes verstanden werden, sondern stärker als Aussage über die wahrscheinlichste großräumige Wetterentwicklung.

Wettervorhersage bleibt mehr als eine Modellzahl

Numerische Wettermodelle haben die Wettervorhersage in den vergangenen Jahrzehnten enorm verbessert. Trotzdem liefert kein Modell eine exakte Kopie der zukünftigen Atmosphäre.

Messungen zeigen den aktuellen Zustand, Radardaten verfolgen laufende Niederschlagsentwicklungen, Wettermodelle berechnen mögliche zukünftige Entwicklungen und Ensemble Prognosen geben Hinweise auf deren Unsicherheit. Erst die gemeinsame Betrachtung dieser Informationen ergibt ein vollständigeres Bild der Wetterlage.

Gerade bei schwierigen Wetterlagen lohnt sich deshalb der Blick über eine einzelne Temperaturzahl oder ein Wettersymbol hinaus.

Fazit

Eine Wettervorhersage entsteht in mehreren Schritten. Zunächst erfassen Wetterstationen, Satelliten, Radiosonden und Radaranlagen den aktuellen Zustand der Atmosphäre. Diese Beobachtungen bilden gemeinsam mit weiteren Daten den Ausgangspunkt für numerische Wettermodelle.

Die Modelle berechnen anschließend, wie sich Temperatur, Wind, Luftdruck, Feuchtigkeit, Wolken und Niederschlag in den kommenden Stunden und Tagen entwickeln könnten. Da die Atmosphäre komplex ist und kein Modell ihre Entwicklung vollkommen exakt darstellen kann, werden unterschiedliche Modelle, Modellläufe und Ensemble Berechnungen miteinander verglichen.

Je näher ein Wetterereignis rückt, desto stärker kommen aktuelle Beobachtungen hinzu. Eine gute Wettervorhersage ist deshalb nicht einfach das Ergebnis einer einzelnen Modellrechnung. Sie entsteht aus Messdaten, numerischer Berechnung und der laufenden Bewertung der tatsächlichen Wetterentwicklung.

Häufige Fragen zur Wettervorhersage

Welches Wettermodell ist das beste?

Ein grundsätzlich bestes Wettermodell gibt es nicht. Je nach Wetterlage, Region und Prognosezeitraum können unterschiedliche Modelle ihre Stärken ausspielen. Für kleinräumige Wetterentwicklungen sind hoch aufgelöste Regionalmodelle besonders interessant, während globale Modelle für großräumige und längerfristige Entwicklungen wichtige Informationen liefern.

Warum ändern sich Wettervorhersagen?

Wettermodelle werden regelmäßig mit neuen Beobachtungsdaten gestartet. Dadurch verändert sich der Ausgangszustand der Berechnung. Vor allem bei dynamischen oder unsicheren Wetterlagen können sich die Ergebnisse von einem Modelllauf zum nächsten deutlich verändern.

Warum stimmt die Regenvorhersage manchmal nicht für meinen Ort?

Regen fällt häufig nicht gleichmäßig über große Flächen. Besonders Schauer und Gewitter können sehr kleinräumig auftreten. Ein Modell kann die allgemeine Niederschlagsneigung richtig berechnen, den tatsächlichen Schwerpunkt aber einige Kilometer zu weit westlich oder östlich vorhersagen.

Was ist für kurzfristigen Regen wichtiger, Radar oder Wettermodell?

Für die nächsten Minuten und wenigen Stunden ist das Wetterradar besonders wertvoll, weil es den tatsächlich vorhandenen Niederschlag zeigt. Wettermodelle liefern dagegen Informationen darüber, wie sich die atmosphärischen Bedingungen weiterentwickeln könnten.

Warum zeigen Wetter Apps unterschiedliche Temperaturen?

Die Anbieter können unterschiedliche Wettermodelle und verschiedene Verfahren zur Verarbeitung der Modelldaten verwenden. Unterschiede bei Rasterauflösung, Höhenkorrektur und Standortberechnung können deshalb zu voneinander abweichenden Temperaturprognosen führen.