Meteorologie

Gegenstand und Bedeutung

Meteorologie ist die Lehre der physikalischen und chemischen Vorgänge in der Atmosphäre. Zu ihren bekanntesten Anwendungsgebieten gehören die Wettervorhersage und die Klimatologie, also die Wetterkunde. Die Meteorologie untersucht außerdem chemische Prozesse wie Ozonbildung und die Wirkung von Treibhausgasen sowie atmosphärische Himmelserscheinungen. Sie gehört zu den Geowissenschaften und ist an Universitäten häufig Instituten für Geophysik oder Physik zugeordnet. Die Bezeichnung „Meteorologe“ ist kein geschützter Begriff; jeder, der sich mit dem Wetter beschäftigt, kann sich so nennen.

Im Mittelpunkt stehen großskalige dynamische Prozesse der heutigen Erdatmosphäre. Die dafür entwickelten Modelle können aber auch auf Stadtklimate, extraterrestrische Atmosphären und Atmosphären vergangener Erdzeitalter angewendet werden. Letztere gehören insbesondere zur Paläoklimatologie und sind vor allem für die Forschung wichtig.

Die Meteorologie ist interdisziplinär. Sie nutzt unter anderem Physik, insbesondere Fluiddynamik, Thermodynamik, Elektromagnetismus und Optik, Mathematik mit Numerik und partiellen Differentialgleichungen, Informatik zur Verarbeitung großer Datenmengen, Chemie, Geowissenschaften und Biologie. Methoden der dynamischen Meteorologie werden auch in Meereskunde, Geophysik, Ingenieurwissenschaften und Umweltwissenschaften eingesetzt.

Zu den Teilgebieten gehören unter anderem allgemeine, theoretische, dynamische, experimentelle und angewandte Meteorologie. Nach räumlichen Bereichen unterscheidet man beispielsweise Aerologie, Aeronomie, Grenzschicht-, Mikro-, maritime, alpine, glaziale, polare, Mittelbreiten- und tropische Meteorologie. Nach technischen Verfahren gibt es Satelliten-, Radar- und LIDAR-Meteorologie. Die Meteorologie befasst sich nicht nur mit der Troposphäre, sondern auch mit der Stratosphäre und in beschränktem Umfang mit Mesosphäre und Thermosphäre.

Von der Wetterbeobachtung zur modernen Forschung

Wetterbeobachtung war für Nomaden wichtig, um Wanderbewegungen von Beute- oder Herdentieren und günstige Bedingungen für Sammelausflüge einzuschätzen. Für Bauern waren Wetteraufzeichnungen eine Grundlage für Entscheidungen über Aussaat und Ernte: Frühes Säen verlängert zwar die mögliche Vegetationsperiode, erhöht aber das Risiko für die junge Saat. Eine späte Ernte kann den Ertrag steigern, doch eine frühere Ernte kann sinnvoll sein, wenn ein Unwetter oder eine Schlechtwetterperiode droht. Auch militärisch war Wetterwissen bedeutsam, etwa für die Windrichtung und Windstärke bei Seeschlachten.

Meteorologische Beobachtungen sind bereits von Theophrastos von Eresos im 3. Jahrhundert v. Chr. überliefert. Der zunehmende Schiffsverkehr nach der Entdeckung Amerikas 1492 führte zu detaillierten Wetterbeobachtungen und Logbucheinträgen. Frühe theoretische Ansätze stammten unter anderem von Albertus Magnus; Georg Tannstetter veröffentlichte 1514 eine kurze Darlegung der theoretischen Klimatologie.

Eine erste Revolution setzte zwischen 1880 und 1900 ein. Durch drahtgebundene und drahtlose Telegrafie konnten meteorologische Dienste ihre Daten zeitnah austauschen und vergleichen. Dadurch wurden erstmals synoptische Wetterkarten möglich. Voraussetzung waren genaue Beobachtungsbücher und -tabellen sowie die Erforschung statistischer Korrelationen.

Im 20. Jahrhundert ermöglichten Luftfahrzeuge und Wetterballone Untersuchungen der unteren Luftschichten. Seit dem Motorflug in den 1900er Jahren konnten Flugzeuge Wetter großräumig beobachten, fotografieren und messen. Im Zweiten Weltkrieg wurde das in den 1930er Jahren entwickelte Radar eingesetzt; Wetterradar lieferte auch bei Nacht und Nebel neue Beobachtungsdaten. Von 1941 bis 1945 unterhielt die Wehrmacht Wetterstationen in der Arktis. Im Kalten Krieg, der bis 1990 dauerte, wurden Wetterforschung, Aufklärungsflugzeuge und Höhenforschung stark ausgebaut. Die Lockheed SR-71 hatte eine Dienstgipfelhöhe von 24.385 Metern. Die Höhenforschung diente vor allem der Raumfahrt und der Entwicklung von Interkontinentalraketen.

Ein Meilenstein waren Wettersatelliten. Der erste wurde 1960 gestartet. Die USA starteten von 1960 bis 1966 insgesamt 10 TIROS-Satelliten und von 1968 bis 1978 acht NIMBUS-Satelliten, davon einen Fehlstart. Infrarotkameras ermöglichten auch nachts die Beobachtung von Wolken und die Quantifizierung der von erwärmten Teilen der Erdoberfläche ins Weltall abgestrahlten Wärme. Die Satellitenmeteorologie gilt als eigenständiges Teilgebiet.

Im 21. Jahrhundert verbessern elektronische Datenverarbeitung und wachsende Rechenleistung die Wettervorhersage grundlegend. Immer größere Datenmengen von immer mehr Messstationen werden durch komplexe Algorithmen und Modelle verarbeitet. Dadurch werden Vorhersagen präziser und ihre lokale Auflösung detaillierter.

Messgrößen, Messnetze und Datenqualität

Die wichtigste Aufgabe und zugleich ein großes Problem der Meteorologie als empirischer Wissenschaft ist die Erfassung, Bearbeitung, Bewertung und Vergleichbarkeit von Daten. Kontrollierbare Laborbedingungen lassen sich nur für eine kleine Minderheit meteorologischer Fragestellungen herstellen. Die Messungen sind meist an natürliche Bedingungen gebunden; dadurch sind Ergebnisse nur eingeschränkt reproduzierbar.

Zu den wichtigsten Grundgrößen gehören Albedo, Bewölkung, Globalstrahlung, Luftdichte, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit beziehungsweise Taupunkt, Lufttemperatur, Niederschlagsart und -menge, Sichtweite sowie Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Windstärke. Viele Messungen erfolgen in Klimagärten. Je nach Status der Station – Klimastation, Niederschlagsmessstation oder synoptische Station – werden Daten stündlich oder 2 bis 3 Mal am Tag erhoben, etwa um 7 und 19 Uhr oder um 7, 12 und 19 Uhr.

Für den Datenaustausch gibt es standardisierte Formate: In der Luftfahrt wird METAR (Meteorological Aviation Routine Weather Report) verwendet, für Landstationen der SYNOP FM12/13-Code und auf See der Ship-Code. Wind kann beispielsweise mit der Beaufortskala oder einer Sichtmarkentabelle klassifiziert werden. Wichtige Messgeräte sind unter anderem Anemometer, Barometer, Hygrometer, Thermometer, Niederschlagsmesser, Pyranometer für Globalstrahlung, Albedometer, Netradiometer, Niederschlagsradar, SODAR, Windfahnen, Thermohygrographen und Wettersatelliten.

Niederschlagsmessungen sind besonders fehleranfällig. Regen und Tau als flüssige sowie Schnee und Hagel als feste Niederschläge werden aus methodischen Gründen getrennt erfasst. Die Messgenauigkeit marktgängiger Verfahren für flüssigen Niederschlag liegt bei ungefähr 30 Prozent; bei festem Niederschlag ist sie nicht besser. Die Qualität hängt vor allem von Wind, Lufttemperatur, Aufstellungshöhe, Verdunstung und Standort ab. Vergleichbarkeit und notwendige Korrekturen sind Gegenstand wissenschaftlicher Diskussion.

Auch andere Messungen haben Einschränkungen. Die vertikale Windgeschwindigkeit konnte lange Zeit nicht richtig erfasst werden; vertikale Gradienten sind weiterhin aufwändig zu messen. Deshalb werden häufig Bodenmessungen in standardisierten Abständen von meist zwei oder zehn Metern durchgeführt. Eine einzelne Messung ist nahezu bedeutungslos. Erst viele vergleichbare Messungen in Wetterstationen und Messnetzen ermöglichen die Analyse und Prognose großräumiger Wetterdynamik. Dabei gelten etwa die VDI-Richtlinie 3786 oder von der World Meteorological Organization standardisierte Richtlinien.

Neben der räumlichen ist die zeitliche Vergleichbarkeit wichtig, besonders für Klimaprognosen. Änderungen von Messgeräten können scheinbare Trends in langen Messreihen erzeugen. Deshalb werden aus Gründen der Vergleichbarkeit teilweise alte Geräte weiterverwendet, obwohl modernere genauer wären. Bei globalen Temperaturänderungen von wenigen Grad Celsius kann der Messfehler alter Daten den möglichen Effekt übersteigen. Die Aussagekraft solcher Temperaturaufzeichnungen ist umstritten; mit ihr befasste sich unter anderem das BEST-Projekt der Universität Berkeley. In der Meteorologie steht die räumliche Datenanalyse im Vordergrund, in der Klimatologie eher die zeitliche Datenanalyse beziehungsweise Zeitreihenanalyse.

Satellitenbeobachtung der Atmosphäre

Wetter- und Umweltsatelliten sind heute ein zentrales Hilfsmittel der Meteorologie. Geostationäre Satelliten befinden sich in einer Höhe von 36'000 km und erscheinen stationär über der Erde. Andere Satelliten umkreisen die Erde auf einem LEO in 400 bis 800 km Höhe.

Nur Satelliten ermöglichen heute globale und täglich aufgelöste Beobachtungen der Atmosphäre. Besonders der Zustand und die Zusammensetzung der oberen Atmosphäre – Stratosphäre, Mesosphäre und Thermosphäre – lassen sich mit ihnen wirkungsvoll untersuchen. Satellitendaten liefern Informationen über Ozon, Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf sowie über Druck und Temperatur. Sie helfen beispielsweise, die Entwicklung von Ozonlöchern zu überwachen, indem der Ozongehalt pro Höhe und pro Tag abgeschätzt wird.

Für die Troposphäre sind Satelliten besonders wichtig in Regionen, die durch andere Messverfahren kaum zugänglich sind. Über den Ozeanen ermöglichen sie etwa Niederschlagsschätzungen und Bestimmungen von Windgeschwindigkeiten. Dort gibt es nur Schiffs- und Bojenmessungen sowie einzelne Inselstationen; früher war man häufig auf großflächige Datenextrapolationen angewiesen. Deshalb können Vorhersagen bei stark maritim geprägten Wetterlagen, beispielsweise an der Westküste Nordamerikas, schlechter sein als bei kontinental bestimmten Wetterlagen. Verbesserte Kenntnisse über das Wetter über dem Meer können die Vorhersage von Niederschlagsereignissen an Küsten unterstützen und sind für vom Monsun betroffene Länder wie Indien lebenswichtig.

Durch Datenassimilierung werden Satellitendaten in der Klimatologie zur Verbesserung und Stützung von Modellen sowie für eine gleichmäßige Datenerfassung genutzt. Die Verarbeitung erfordert spezialisierte Technik und effiziente Programmierung. Datenmengen im Bereich von Terabytes müssen empfangen, weitergeleitet, gespeichert, verarbeitet und archiviert werden. Zusammen mit Boden- und Ballonmessungen sowie Modellrechnungen entsteht ein umfassenderes Bild des Zustands der Erdatmosphäre.

Modelle, Simulationen und Vorhersage

Modelle spielen in der Klimatologie, der numerischen Wettervorhersage und der Fernerkundung eine herausragende Rolle. Die wachsende Zahl meteorologischer Messungen ist mit Wetterkarten allein nicht mehr auszuwerten. Vereinfachte Modelle und Rechnersimulationen ermöglichen eine schnellere und kostengünstigere Verarbeitung großer Datenmengen. Außerdem lassen sich sehr lange Zeiträume und Effekte wie Meeresspiegelschwankungen simulieren, die nicht direkt beobachtbar sind oder für die keine durchgehenden, qualitativ ausreichenden Messreihen existieren.

Meteorologische Modelle müssen die Natur möglichst angemessen beschreiben, zugleich aber rechnerisch effizient sein. Wegen der Komplexität können sie ganze Rechenzentren beanspruchen. Statistische Annahmen vereinfachen die Naturbeschreibung und begrenzen Rechenzeit und Kosten. Modelle werden durch statistische Verfahren, experimentelle Beobachtungen und neue wissenschaftliche Erkenntnisse verbessert. Sie müssen mit real beobachteten Effekten verglichen werden. Als seltene Labor-Ausnahmen nennt der Artikel die Klimakammer AIDA des Forschungszentrums Karlsruhe und die Klimakammer am Forschungszentrum Jülich.

In den 1920er Jahren entwickelte der Mathematiker Lewis Fry Richardson Methoden, die noch häufig Grundlage meteorologischer Simulationen auf Supercomputern sind. Grob lassen sich Strahlungstransfermodelle, etwa KOPRA, Chemietransportmodelle, etwa ECHAM, und dynamische Modelle unterscheiden. Der Trend geht zu integrierten Modellen oder „Weltmodellen“, beispielsweise SIBERIA 2. Trotz großer Rechenleistungen erreichen Modelle wegen der Komplexität der Atmosphäre schnell ihre Grenzen.

Das einfachste meteorologische Modell ist die Persistenzprognose. Dabei wird angenommen, dass das Wetter des nächsten Tages dem aktuellen Wetter entspricht. Weil Wetterlagen oft längere Zeit nahezu gleich bleiben, erreicht diese einfache Methode bereits eine Erfolgswahrscheinlichkeit von circa 60 Prozent.

Datenaustausch und meteorologische Einrichtungen

Für den Austausch aktueller, historischer und prognostizierter Wetterdaten definierte die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) das Format GRIB, englisch „GRIdded Binary“. Die rechtliche Lage bei Wetterdaten ist komplex. Wichtig sind insbesondere Urheberrecht und Datenbankrecht. Zusätzlich beeinflussen europäische Richtlinien zur Weiterverwendung von Daten des öffentlichen Sektors und zur Verbreitung von Umweltinformationen die Rechte an Wetterdaten und ihre Weitergabe; in Deutschland werden sie unter anderem durch das Informationsweiterverwendungsgesetz und das Umweltinformationsgesetz umgesetzt.

Zu den wichtigen Einrichtungen gehören in Deutschland der Deutsche Wetterdienst, die Deutsche Meteorologische Gesellschaft, der Verband Deutscher Wetterdienstleister und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit dem Institut für Physik der Atmosphäre. In Österreich sind die Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik und die Österreichische Gesellschaft für Meteorologie bedeutend, in der Schweiz MeteoSchweiz und die Schweizerische Gesellschaft für Meteorologie.

Auf internationaler und europäischer Ebene nennt der Artikel unter anderem die World Meteorological Organization, das European Centre for Medium-Range Weather Forecasts und EUMETSAT. Weitere nationale Wetterdienste und Fachorganisationen sind das Met Office im Vereinigten Königreich, Météo-France, Met Éireann in Irland, das Danmarks Meteorologiske Institut, das Meteorologisk Institutt in Norwegen, das Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut sowie in den USA die National Oceanic and Atmospheric Administration und der National Weather Service.