Wetter aus einem Anfangszustand berechnen

Zwei Voraussetzungen statt einer Formel

Bjerknes nennt 1904 zwei Voraussetzungen für eine physikalisch begründete Wettervorhersage: ausreichende Kenntnis des gegenwärtigen Zustands und der Gesetze seiner Entwicklung. Seine Überlegung macht die Verbindung von Beobachtung und Rechnung zum ausdrücklichen Arbeitsprogramm. Die beiden Voraussetzungen im historischen Aufsatz

Die Unterscheidung ist grundlegend. Eine Rechenvorschrift kann verschiedene Entwicklungen liefern, wenn man sie mit verschiedenen Ausgangslagen beginnt. Umgekehrt sagt eine noch so ausführliche Momentaufnahme nicht von selbst, wie sich das System verändern wird. Beide Teile müssen zur gestellten Vorhersagefrage passen und gemeinsam geprüft werden.

Ein Messort ist keine Atmosphäre

Ein eigenes Gedankenbeispiel zeigt das räumliche Problem: An deinem Ort kann derselbe Luftdruck herrschen, während die Druckverteilung in der Umgebung unterschiedlich aussieht. Die einzelne Anzeige unterscheidet diese Situationen nicht. Für eine Entwicklung braucht man mehr als einen örtlichen Wert.

Bjerknes betrachtet Wind, Dichte, Druck, Temperatur und Feuchte als räumliche Größen. Er weist auf Beobachtungslücken über dem Meer und in größeren Höhen hin. Karten verschiedener Atmosphärenschichten sollen den Zustand gemeinsam beschreiben. Zustandsgrößen und Lücken des Beobachtungsnetzes Das macht verständlich, warum viele Messorte und vergleichbare Beobachtungszeiten eine gemeinsame Aufgabe bilden.

Die Rechnung in Schritte zerlegen

Die Atmosphäre lässt sich nicht für jeden Ort und jeden Augenblick exakt ausrechnen. Bjerknes bespricht deshalb grafische und numerische Näherungen. Aus einem dargestellten Zustand sollen schrittweise neue Zustände entstehen. Er trennt dabei Teilprobleme, die später wieder zusammengeführt werden müssen. Das vorgeschlagene Rechenverfahren

Ein Ergebnis nach einem Schritt dient als Ausgangspunkt für den nächsten. Dadurch wird die Auswahl der Näherung wesentlich: Was vereinfacht wurde, kann den weiteren Verlauf beeinflussen. Die Frage ist nicht nur, ob eine Rechnung ausführbar ist, sondern welche Veränderungen sie unter welchen Bedingungen hinreichend beschreibt.

Ein Fehlversuch wird zur Prüfung

Richardson führt einen frühen Rechenversuch aus, den er 1922 veröffentlicht. Für einen Ort nahe München ergibt sich eine unrealistisch große Druckänderung. Der Meteorologe Peter Lynch untersucht später, wie sich Störungen in den zugrunde gelegten Windfeldern auf diesen Versuch auswirken. Eine geeignete Aufbereitung der Anfangsdaten liefert wesentlich plausiblere Änderungen. Richardsons Versuch und die spätere Wiederprüfung

Der Fall zeigt, warum richtige physikalische Grundideen allein noch keine brauchbare Prognose garantieren. Daten, Verfahren und betrachtete Zeitschritte bilden gemeinsam die Vorhersage. Ein Fehlschlag kann eine konkrete Schwachstelle erschließen, wenn Rechnung und Eingangsdaten so erhalten sind, dass sich ihre Wirkung nachvollziehen lässt.

Das eingetretene Wetter antwortet

Bjerknes verlangt, berechnete Zustandsbilder mit späteren Beobachtungen zu vergleichen. Daraus sollen sich sowohl die Güte des Verfahrens als auch Möglichkeiten zur Verbesserung ergeben. Der Vergleich von Prognose und Beobachtung

Die Prüfung braucht dabei dieselbe Frage auf beiden Seiten: Welche Größe wurde für welchen Ort, welche Höhe und welchen Zeitpunkt vorhergesagt? Wenn eine Rechnung eine größere Region beschreibt, ist eine einzelne örtliche Beobachtung nicht ohne Weiteres ihr vollständiger Gegenpart. Erst eine passende Zuordnung macht Abweichungen verständlich und erlaubt, Fortschritte über viele Fälle hinweg zu beurteilen.

Mehrere Entwicklungen betrachten

Kleine Unsicherheiten im Anfangszustand können mit der Zeit stark wachsen. Heute werden daher unter anderem Gruppen verwandter Vorhersagen untersucht. Solche Ensembles helfen, die Empfindlichkeit möglicher Entwicklungen zu erkennen. Forschung der LMU zeigt zudem, dass Fehlerwachstum und Modellunsicherheiten von der Wetterlage abhängen. Vorhersagbarkeit und Ensembleansatz

Die Streuung ist dabei eine Information über Möglichkeiten, kein Versprechen, dass jede Einzelheit sicher innerhalb eines einfachen Bereichs liegen wird. Bjerknes’ Grundverbindung bleibt erhalten: beobachten, mit einem Modell weiterrechnen und am späteren Befund prüfen. Dazu kommt eine ausdrücklich untersuchte Frage: Wie weit trägt die Vorhersage bei den vorhandenen Unsicherheiten?

Begriffe verstehen

Quellen und Nachweise

Die Quellen sind den Aussagen im Text zugeordnet. Originalstudien, Sammlungstexte und eigene Einordnung erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Einige Fachtexte sind beim Verlag nur teilweise frei zugänglich.

1. Bjerknes’ Programm der Wettervorhersage

   Vilhelm Bjerknes: Das Problem der Wettervorhersage, betrachtet vom Standpunkte der Mechanik und der Physik. Meteorologische Zeitschrift 21 (1904), S. 1–7. Englische Übersetzung und Herausgabe Esther Volken/Stefan Brönnimann, Meteorologische Zeitschrift 18 (2009), S. 663–667, DOI 10.1127/0941-2948/2009/416.

   Anfangszustand, Entwicklungsgesetze, Näherungen und spätere Prüfung. Historische Gleichungen und optimistische Arbeitsabschätzungen werden nicht als fertiges heutiges Verfahren ausgegeben.

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2. Richardsons Versuch und sein Datenproblem

   Peter Lynch: Richardson’s Forecast: the Dream and the Fantasy. 2022, arXiv:2210.01674v1, besonders Weather Prediction by Numerical Process und Solution of the Noise Problem.

   Erläutert die unrealistische Drucktendenz und die Wirkung einer geeigneten Initialisierung. Verwendet wird dieser gelesene Rückblick; keine vollständige Lektüre von Richardsons Buch behauptet.

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3. Unsicherheit und Ensemblevorhersagen

   Ludwig-Maximilians-Universität München, Meteorologie: Vorhersagbarkeit / Ensemble-Vorhersagen, mit Darstellungen zu Selz/Craig 2014 und Keil/Heinlein/Craig 2013.

   Erklärt Fehlerwachstum, Ensembleansatz und die wetterlagenabhängige Bedeutung verschiedener Unsicherheiten. Die genannten historischen Modellkonfigurationen werden nicht als aktueller Betrieb dargestellt.

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Redaktion: Benjamin Metzig. Text und Quellen am 8. September 2026 geprüft. Generative KI diente als Werkzeug für Text und Bild.