Wie seriös sind Trends?

Aus aktuellem Anlass beleuchte ich die Trendprognosen näher, die man häufig in Fernsehwetterberichten, manchmal auch in Zeitungen oder direkt an der Quelle, in den Wetterkarten, findet.

Vorab: Es gibt kein Zauberwettermodell, das immer richtig liegt. Es gibt alleine in Österreich vier (teil)staatliche Wetterdienste sowie mehrere private Wetterdienste. Jeder Wetterdienst benutzt andere Modelle, manche bevorzugen ein bestimmte Modell, andere mitteln durch. Das hängt auch von der Wettereigenschaft ab, die man vorherzusagen hat, und von dem Zieltermin, denn nicht alle Wettermodelle rechnen über 10 Tage hinaus.

Die beiden Größen, die uns Meteorologen und in der Regel auch die Bevölkerung am meisten interessieren, sind Temperatur und Niederschlag. Während die Schwankungsbreite bei der Temperaturprognose oft noch vertretbar ist, stellt uns der Niederschlag vor die größten Herausforderungen. Oft ist die Schwankungsbreite so groß, dass sich keine seriöse Aussage treffen lässt. Ein paar Faustregeln gibt es aber:

  • Winterniederschlag ist leichter vorhersagbar als Sommerniederschlag
  • Dauerregen ist leichter vorhersagbar als Schauerniederschlag
  • Gewitter zählen zu jenen Phänomenen, die selbst durch die Schwankungsbreite der Wettermodelle nicht abgedeckt werden können (denn Gewitter fallen wegen ihrer geringen Größe verglichen mit der Gitterpunktsauflösung des Wettermodells wortwörtlich durchs Raster)

Mit fortschreitendem Zieltermin nimmt die Genauigkeit der Prognosen ab - eine Binsenweisheit? Auch hier hängt es von der Fragestellung ab:

  • Qualitative Aussagen wie "Hitzewelle", "Hochwassergefahr" oder "Wintereinbruch" lassen sich mitunter schon eine Woche vor dem Eintreffen des Ereignisses treffen.
  • Quantiative Aussagen wie "Hitzerekord", "Rekordpegelstand" oder "50 cm Neuschnee" sind oft nur unmittelbar vor dem Ereignis möglich - wie man im Juni 2013 sah, nicht einmal dann, weil die Wettermodelle nur ein Teil der Arbeit leisten, die für die Hochwasserprognose notwendig ist.

Ganz wichtig bei der Beurteilung der Aussagekraft von 10-Tages-Trends ist die zugrunde liegende Quelle. Dank meiner akademischen Ausbildung bin ich kritisch gegenüber Neuem eingestellt, und hinterfrage jede mir unbekannte Karte nach dessen Zustandekommen. Deswegen ermüden auch Phrasen wie "Der Wetterbericht hat mal wieder nicht gestimmt!" - wenn nicht dazu gesagt wird, wer der Urheber ist und auf welche Region sich der Bericht bezog.

Es gibt unendlich viele Möglichkeiten, eine Vorhersage falsch zu verstehen - besonders, wenn sie eintrifft.

Sind Quelle und Intention geklärt, ist die Visualisierung an der Reihe. Wie man Schwankungsbreiten darstellt, hängt vom Empfänger ab, denn mehr Inhalt einer Graphik erfordert auch mehr Konzentration und Zeitaufwand. Im Fernsehen stehen selten mehr als ein oder zwei Minuten zur Verfügung, die Zeitung möchte den Leser auf der Seite halten und nicht durch komplizierte Graphiken abschrecken - auch der Meteorologe verspürt Zeitdruck, da er üblicherweise nicht acht Stunden lang ein einziges Produkt zu erstellen hat. Komplex darf es so gesehen nur für Forscher und Hobbymeteorologen werden, die darüber stundenlang fachsimpeln können.

Ich stelle nachfolgend drei Varianten der Visualisierung vor: 

Grundvoraussetzung ist ein Wettermodell, das mehrere Läufe aufweist. Dabei existiert ein Hauptlauf (auch deterministischer Lauf genannt), welcher die besten Eingangsdaten und die beste Modellauflösung besitzt. Um festzustellen, wie sicher das Eintreffen dieses Laufes ist, rechnen die Modellerbauer zwanzig (wie bei dem Wettermodell, das in den nachfolgenden Karten verwendet wird) bis fünfzig (bei dem Modell, das die Grundlage für viele Trendprognosen bildet) Läufe mit leicht geänderten Eingangsdaten und einer geringeren Auflösung. Diese abweichenden Läufe nennt man auch Ensembles.

1. Standardabweichung

Die Standardabweichung ist ein Maß für die Unsicherheit einer Größe, in diesem Fall geht es um die Druckverteilung in der mittleren Atmosphäre. 500 hPa entspricht etwa 5,5 km Höhe. Die weißen Linien zeigen das Ensemble-Mittel, die Farben geben die Standardabweichung wieder. Im Idealfall für eine seriöse Prognose ist die Abweichung Null, im schlechtesten Fall beträgt sie 200 gpdm (womit vom Hochdruckgebiet bis zum Orkantief alles möglich ist). Meist liegt sie dazwischen und nimmt mit fortschreitender Vorhersagezeit zu.

Vorhersage für Tag 2 (48 Std.-Prognose)

Rz500s2

Die Abweichungen für den übernächsten Tag lassen sich an wenigen Entwicklungen festmachen, auffallend ist die Unsicherheit des Kurzwellentroges über Deutschland, dessen West-Ost-Ausdehnung und Schärfe noch unsicher ist. Auch westlich von Irland herrschen bedeutende Unsicherheiten. Großräumig gesehen bestehen aber keine Zweifel: Hochdruck über dem Balkan, Tiefdruck in West- und Mitteleuropa. Weiterhin Zufuhr heißer, nach Westen hin warmer Luft aus Südwesten.

Vorhersage für Tag 4 (96 Std.-Prognose)

Rz500s4 

Nach 4 Tagen nehmen die Unsicherheiten zwischen Ostfrankreich, Deutschland und der Ostsee bereits deutlich zu. Sicher ist noch die Lage des Tiefs über der Nordsee und die Lage Österreichs am Rande des Troges, aber an dessen Vorderseite, also Zufuhr zumindest mäßig warmer Luftmassen.

Vorhersage für Tag 5 (120 Std.-Prognose)

Rz500s5

Wie durch den Strich markiert, ist nur die Lage der Trogachse noch sicher, nämlich Ostösterreich an der Vorderseite des Troges. Weiter westlich und östlich nehmen die Unsicherheiten zu.

Vorhersage für Tag 6 (144 Std.-Prognose)

Rz500s6

Nun lassen sich nicht mehr so klare Aussagen treffen, denn der Unsicherheitsbereich ist so stark angewachsen, dass sich Österreich auch an der Trogrückseite befinden könnte. Einzig der Einflussbereich des Troges ist noch offensichtlich. Dies wird auch durch die relative Sicherheit des Hochs im Norden Russland gefestigt, die im Umkehrschluss nur einen Trog über Mitteleuropa zulässt. Tendenziell wäre auch hier wechselhaftes Wetter die Folge.

Vorhersage für Tag 8 (192 Std.-Prognose)

Rz500s8

192 Stunden markieren den Oberrand der höchsten Modellauflösung, danach rechnen die Wettermodelle nur noch mit der halben Auflösung, um Rechenzeit zu sparen und weil die Aussagekraft ohnehin für Details nicht mehr relevant ist. Das Hoch über Russland ist noch erhalten geblieben, ebenso die Andeutung eines Keils über dem Schwarzen Meer. Damit bleibt Mitteleuropa unter Trogeinfluss, aber die großen Unsicherheiten lassen keine Aussage mehr zum Wettercharakter zu, außer Extrema bei den Temperaturen auszuschließen.

Vorhersage für Tag 10 (240 Std.-Prognose)

 

 Rz500s10

Bei Tag 10 endet das europäische EZMWF-Modell, ab dann rechnet nur noch das amerikanische GFS (die hier verwendeten Karten) weiter, dessen Karten frei verfügbar im Netz sind. Zu diesem Zeitpunkt besteht lediglich die Aussage, dass Tiefdruckeinfluss wahrscheinlicher als Hochdruckeinfluss ist. Tiefdruckeinfluss kann im Alpenraum aber auch Föhn bedeuten, und damit nicht zwangsläufig Regenwetter.

Vorhersage für Tag 15 (360 Std.-Prognose)

 Rz500s15

Bei Tag 15 enden auch die meisten Trends in den Medien, und was man aus dieser Karte herauslesen kann, ist allenfalls Kaffeesatz. In Fachkreisen auch Ultraglaskugelbereich genannt (der Glaskugelbereich beginnt ab 144 Std. und geht bis etwa 180 Std.).

2. Spaghetti-Plots

Lediglich eine andere Form der Standardabweichung-Darstellung sind Spaghetti-Plots, die Benennung wird in folgender Karte klar:

500 hPa Geopotential aller 20 Ensembles für den 6. Vorhersagetag

Rz5006

Sie schlüsseln die Information der Standardabweichung in konkrete Lösungen auf. Die Grundinformation bleibt zwar erhalten - Trog Mitteleuropa, Hoch Russland, doch zeigen einzelne Läufe auch einen Trog über Italien (weinrot), der mit viel Regen verbunden wäre (wie Anfang Juni), die Mehrheit sieht dagegen einen breiten Trog, unter dem der Alpenraum vollständig begraben wäre, also wechselhaft ja, aber keine dramatisch großen Regenmengen.

  • Je dichter die Linien zusammenliegen, desto sicher ist ein Wetterszenario.
  • Wenn die meisten Linien eng zusammenliegen, einzelne Linien aber davon abweichen, ist das Ausreißerszenario am unwahrscheinlichsten - außer es handelt sich um den Hauptlauf, der die besten Rechenbedingungen aufweist und somit eine höhere Eintreffwahrscheinlichkeit hat.

3. Rauchfahnenplots

Sie zeigen anfangs geringe Abweichungen, die hinten raus größer und turbulenter werden, wie eine aufsteigende Rauchsäule, die vom Wind abgeblasen wird, daher der Name.

Beispiel Wien - Prognose vom Mittwoch, 19. Juni 2013, 12 UTC - gültig bis 5. Juli 2013

MT8 Wien ens

Dargestellt sind farbig alle Ensemble-Mitglieder, das Ensemble-Mittel und das 30-Jahres Mittel. Der GFS-Hauptlauf weist die besten Anfangsbedingungen und die höchste Modellauflösung auf und läuft in dieser Auflösung bis 180 Std., danach nur noch mit halber Auflösung. Der Kontrolllauf hat die besten Anfangsbedingungen, aber eine geringere Modellauflösung. Die restlichen Ensemble-Mitglieder laufen mit gestörten Anfangsbedingungen bei der gleichen Auflösung wie der Kontrolllauf. Kontrolllauf und restliche Mitglieder haben bis 384 Std. dieselbe Auflösung.

Die Skala am Boden zeigt die Tage, links die Temperatur in °C, rechts der Niederschlag in mm (bzw. Liter pro Quadratmeter), gezeigt werden die 6-Std.-Niederschläge und die Temperaturen in der Druckfläche 850 hPa, was etwa 1500 m Seehöhe entspricht.

Interpretation:

Zum 21. Juni folgt ein deutlicher Temperaturrückgang, jedoch ohne Regen, danach gehen die Temperatur langsam zurück, allerdings mit leichtem Tagesgang (Sonneneinstrahlung) und Regensignalen am Nachmittag (Schauern), am 23./24. Juni zeigen die Modelle viel Niederschlag und nochmals eine starke Abkühlung bis unter das langjährige Mittel. Danach verhalten sich die Werte sanft ansteigend, aber eher unterdurchschnittlich, mit geringen Niederschlägen, wobei auch ein paar Ausreißer vorhanden sind.

Im Wetterbericht würde man zusammenfassen:

Am Freitag weiterhin trocken, aber kühler, das Wochenende verläuft wechselhaft mit Schauern mit langsam zurückkehrenden Höchstwerten. Zu Wochenbeginn fällt kräftiger Regen, damit kühlt die Luft auf leicht unterdurchschnittliche Werte ab. Die kommende Woche verläuft leicht wechselhaft mit einzelnen Schauern bei jahreszeitgemäßen Temperaturen.

Faustregeln:

  • Für Trends > 7 Tage ist die Vorhersage mit dem Ensemble-Mittels sicherer, wenn auch nicht genauer. Ein Mittel eliminiert die Minima und Maxima etwa im Niederschlag und auch Einzelfälle von starken Kaltlufteinbrüchen oder Warmluftvorstößen können herausgemittelt werden.
  • Bei sehr unsicheren Wetterlagen kann die Streuung bzw. Bandbreite der einzelnen Mitglieder bereits in der Kurzfrist recht hoch sein, sonst nimmt die Streuung mit zunehmender Vorhersagezeit zu. Das Gewitterrisiko am nächsten Tag ist schwieriger zu prognostizieren als ein markanter Frontdurchgang in 3 Tagen (je kleinräumiger die Größenordnung des Phänomens, desto schwieriger die Prognose)
  • Hinsichtlich der 850 hPa-Temperaturen gilt es die jeweilige Höhenlage der Vorhersageorte zu beachten - je näher die Höhe des Ortes an der 850 hPa-Fläche liegt, desto ausgeprägter sind die Tagesgänge der 850 hPa-Temperatur. Generell deutet aber ein Zickzackkurs der Temperatur auf Hochdruckeinfluss und Tagesamplituden hin (nächtliche Ausstrahlung und Abkühlung, tägliche Einstrahlung und Erwärmung). In den Wintermonaten ist eine Erwärmung in 850hPa nicht zwangsläufig mit einer Erwärmung am Boden verbunden, gerade bei Inversionslagen erwärmen sich die Höhenlagen schrittweise, während es unterhalb der Inversionsschicht, bei tiefen Wolken bzw. Hochnebel kalt bleibt bzw. sogar kälter werden kann.

Darstellungen im Fernsehen oder in Zeitungen

Kommt mir alles unbekannt vor? Stimmt nicht - wie folgende Graphik zeigt:

ensembles

Im Fernsehen verzichtet man aus Übersichtlichkeitsgründen auf die Darstellung aller einzelnen Ensemble-Mitglieder, sondern fasst diese zum grauen Unsicherheitsbereich (auch: Schwankungsbreite) zusammen.

Zusammenfassung

Ab dem zehnten Folgetag ändert sich die Prognosegüte kaum, sie bleibt konstant schlecht und besitzt keine signifikante Aussagekraft für Freizeitgestaltung und OpenAir-Veranstaltungen. Zwischen dem fünften und zehnten Folgetag kann die Schwankungsbreite stark variieren. Je nach Großwetterlage sind Trends seriös oder völlig unsicher, hier lässt sich nicht verallgemeinern, qualitative Aussagen wie Hitzewelle, Hochwasser oder Wintereinbruch sind aber möglich. Bis zum fünften Tag sind Prognosen heutzutage ziemlich zutreffend, jedoch hängt die Quantitativität einer Aussage von der Größenordnung des Phänomens ab. Gewitter(mengen) fallen durchs Raster, während der großflächige Dauerregen schon besser erkennbar ist.

Ausblick:

Statt Trends kann man auch mit Wahrscheinlichkeiten arbeiten - die im angelsächsischen Raum wesentlich verbreiteter als im deutschsprachigen Raum sind. Allerdings ist hier die Interpretation oft nicht klar. Ein Gewitterrisiko von 70 % für den nächsten Tag kann gedeutet werden als ...

  • [] wahr [x] falsch -  70 % des Tages ist mit Gewittern zu rechnen (d.h. 17 von 24 Std. sind gewittrig)
  • [x] wahr [] falsch - in 7 von 10 Fällen gewittert es - zwar richtig, aber was heißt das nun?
  • [x] wahr [] falsch - es ist mit Gewittern zu rechnen

Tatsächlich bedeutet die Prozentangabe, dass der Meteorologe sich auf für Gewitter festgelegt hat, aber die Wettermodelle sich nicht einig genug sind, um eine kategorische ja/nein-Aussage zu treffen.

Persönlich bin ich ein Verfechter von Wahrscheinlichkeitsprognosen, zumindest aber von der Angabe von Unsicherheiten. In meinen Augen ist der Empfänger viel besser informiert, wenn ihm die Unsicherheiten bewusst sind. Für Freizeitsportler ist es beispielsweise nicht abschreckend, wenn ein Schauer durchzieht, für die Bühnentechnik im Freien macht es aber sehr wohl etwas aus, und eine Vorbereitung auf etwaige Eventualitäten macht hier Sinn, um hohe Kosten im Schadensfall zu vermeiden.

Quelle aller Abbildungen: http://www.wetterzentrale.de

DruckenE-Mail