Meteorologie

Die Meteorologie ist ein Teilgebiet der Atmosphärenwissenschaften (einschließlich Atmosphärenchemie und Atmosphärenphysik), das sich vor allem mit der Wettervorhersage befasst. Das Studium der Meteorologie reicht Jahrtausende zurück, obwohl bedeutende Fortschritte in der Meteorologie erst ab dem 18. Im 19. Jahrhundert kam es zu bescheidenen Fortschritten auf diesem Gebiet, nachdem in weiten Regionen Wetterbeobachtungsnetze aufgebaut worden waren. Frühere Versuche, das Wetter vorherzusagen, beruhten auf historischen Daten. Erst nach der Aufklärung der physikalischen Gesetze und vor allem nach der Entwicklung des Computers, der die automatische Lösung zahlreicher Gleichungen zur Wettervorhersage ermöglichte, wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts bedeutende Durchbrüche in der Wettervorhersage erzielt. Ein wichtiger Zweig der Wettervorhersage ist die Seewettervorhersage im Zusammenhang mit der Sicherheit auf See und an der Küste, bei der die Wettereffekte auch die Wechselwirkungen der Atmosphäre mit großen Gewässern umfassen. ⓘ

Meteorologische Phänomene sind beobachtbare Wetterereignisse, die durch die Wissenschaft der Meteorologie erklärt werden. Meteorologische Phänomene werden durch die Variablen der Erdatmosphäre beschrieben und quantifiziert: Temperatur, Luftdruck, Wasserdampf, Massenstrom sowie die Schwankungen und Wechselwirkungen dieser Variablen und deren zeitliche Veränderung. Zur Beschreibung und Vorhersage des Wetters auf lokaler, regionaler und globaler Ebene werden verschiedene räumliche Maßstäbe verwendet. ⓘ

Meteorologie, Klimatologie, Atmosphärenphysik und Atmosphärenchemie sind Teildisziplinen der Atmosphärenwissenschaften. Meteorologie und Hydrologie bilden das interdisziplinäre Gebiet der Hydrometeorologie. Die Wechselwirkungen zwischen der Erdatmosphäre und den Ozeanen sind Teil eines gekoppelten Ozean-Atmosphären-Systems. Die Meteorologie findet in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung, z. B. im Militär, in der Energieerzeugung, im Verkehr, in der Landwirtschaft und im Bauwesen. ⓘ

Das Wort Meteorologie leitet sich aus dem altgriechischen μετέωρος metéōros (Meteor) und -λογία -logia (-(o)logie) ab und bedeutet "die Lehre von den Dingen, die hoch in der Luft liegen". ⓘ

Meteorologie (altgriechisch μετεωρολογία meteōrología „Untersuchung der überirdischen Dinge“ oder „Untersuchung der Himmelskörper“) ist die Lehre der physikalischen und chemischen Vorgänge in der Atmosphäre und beinhaltet auch deren bekannteste Anwendungsgebiete – die Wettervorhersage und die Klimatologie. ⓘ

Über die Atmosphärenphysik, die Klimaforschung und die Verbesserung der Methoden zur Wettervorhersage hinausgehend untersucht die Meteorologie also auch chemische Prozesse (z. B. Ozon­bildung, Treibhausgase) in der Lufthülle und beobachtet atmosphärische Himmelserscheinungen. Sie wird zu den Geowissenschaften gezählt und ist an den Universitäten (siehe Meteorologiestudium) oft den Instituten für Geophysik bzw. der jeweiligen Fakultät für Physik angegliedert. ⓘ

Wetterkarte: Hoch- und Tiefdruckgebiet über dem Atlantik ⓘ

Geschichte

Parhelion (Sonnenhund) in Savoyen ⓘ

Die Fähigkeit, Regenfälle und Überschwemmungen auf der Grundlage von Jahreszyklen vorherzusagen, wurde von den Menschen offensichtlich mindestens seit der Zeit der landwirtschaftlichen Besiedlung genutzt, wenn nicht schon früher. Frühe Ansätze zur Wettervorhersage basierten auf der Astrologie und wurden von Priestern praktiziert. Keilschriftinschriften auf babylonischen Tafeln enthielten Assoziationen zwischen Donner und Regen. Die Chaldäer unterschieden zwischen 22° und 46° Halo. ⓘ

In den alten indischen Upanishaden werden die Wolken und die Jahreszeiten erwähnt. Im Samaveda werden Opfer erwähnt, die bei der Beobachtung bestimmter Phänomene dargebracht werden sollen. Varāhamihiras klassisches Werk Brihatsamhita, das um 500 n. Chr. geschrieben wurde, enthält Hinweise auf Wetterbeobachtungen. ⓘ

Im Jahr 350 v. Chr. schrieb Aristoteles die Meteorologie. Aristoteles gilt als der Begründer der Meteorologie. Eine der beeindruckendsten Errungenschaften, die in der Meteorologie beschrieben werden, ist die Beschreibung dessen, was heute als hydrologischer Kreislauf bekannt ist. ⓘ

Im Buch De Mundo (verfasst vor 250 v. Chr. oder zwischen 350 und 200 v. Chr.) heißt es:

Wenn der aufblitzende Körper in Flammen steht und heftig auf die Erde stürzt, nennt man ihn einen Blitz; wenn er nur zur Hälfte aus Feuer besteht, aber ebenfalls heftig und massiv ist, nennt man ihn einen Meteor; wenn er ganz ohne Feuer ist, nennt man ihn einen rauchenden Blitz. Sie werden alle "stürzende Blitze" genannt, weil sie auf die Erde herabstürzen. Blitze sind manchmal rauchig und werden dann "schwelende Blitze" genannt; manchmal sausen sie schnell dahin und werden dann als lebhaft bezeichnet. Zu anderen Zeiten ziehen sie in krummen Linien und werden dann "gegabelte Blitze" genannt. Wenn er auf einen Gegenstand herabstürzt, nennt man ihn "stürzende Blitze". ⓘ

Der griechische Wissenschaftler Theophrastus verfasste ein Buch über Wettervorhersagen, das so genannte Buch der Zeichen. Das Werk von Theophrastus hatte fast 2 000 Jahre lang einen beherrschenden Einfluss auf das Studium des Wetters und die Wettervorhersage. Im Jahr 25 n. Chr. formulierte Pomponius Mela, ein Geograph des Römischen Reiches, das System der Klimazonen. Toufic Fahd zufolge schrieb Al-Dinawari um das 9. Jahrhundert das Kitab al-Nabat (Buch der Pflanzen), in dem er sich mit der Anwendung der Meteorologie auf die Landwirtschaft während der arabischen Agrarrevolution befasst. Er beschreibt den meteorologischen Charakter des Himmels, die Planeten und Sternbilder, die Sonne und den Mond, die Mondphasen, die die Jahreszeiten und den Regen anzeigen, die anwa (Himmelskörper des Regens) und atmosphärische Phänomene wie Winde, Donner, Blitze, Schnee, Überschwemmungen, Täler, Flüsse und Seen. ⓘ

Frühe Versuche, das Wetter vorherzusagen, waren oft mit Prophezeiungen und Wahrsagerei verbunden und basierten manchmal auf astrologischen Vorstellungen. Admiral FitzRoy versuchte, wissenschaftliche Ansätze von prophetischen Ansätzen zu trennen. ⓘ

Erforschung der visuellen atmosphärischen Phänomene

Dämmerung am Baker Beach ⓘ

Ptolemäus schrieb über die atmosphärische Lichtbrechung im Zusammenhang mit astronomischen Beobachtungen. Im Jahr 1021 zeigte Alhazen, dass die atmosphärische Brechung auch für die Dämmerung verantwortlich ist; er schätzte, dass die Dämmerung beginnt, wenn die Sonne 19 Grad unter dem Horizont steht, und schätzte auf der Grundlage einer geometrischen Bestimmung die maximal mögliche Höhe der Erdatmosphäre auf 52.000 passim (etwa 49 Meilen oder 79 km). ⓘ

Albert der Große war der erste, der vorschlug, dass jeder fallende Regentropfen die Form einer kleinen Kugel hat und dass diese Form bedeutet, dass der Regenbogen durch die Wechselwirkung des Lichts mit jedem Regentropfen entsteht. Roger Bacon war der erste, der die Winkelgröße des Regenbogens berechnete. Er stellte fest, dass ein Regenbogengipfel nicht höher als 42 Grad über dem Horizont erscheinen kann. Im späten 13. und frühen 14. Jahrhundert waren Kamāl al-Dīn al-Fārisī und Theoderich von Freiberg die ersten, die das Primärphänomen des Regenbogens korrekt erklärten. Theoderich ging noch weiter und erklärte auch den Sekundärregenbogen. Im Jahr 1716 schlug Edmund Halley vor, dass Polarlichter durch "magnetische Ausströmungen" verursacht werden, die sich entlang der Magnetfeldlinien der Erde bewegen. ⓘ

Instrumente und Klassifizierungsskalen

Ein halbkugelförmiges Schalenanemometer ⓘ

Im Jahr 1441 erfand der Sohn von König Sejong, Prinz Munjong von Korea, den ersten standardisierten Regenmesser. Sie wurden in der Joseon-Dynastie in ganz Korea als offizielles Instrument zur Festsetzung von Landsteuern auf der Grundlage der potenziellen Ernte eines Landwirts eingesetzt. Im Jahr 1450 entwickelte Leone Battista Alberti ein Schwingplattenanemometer, das als erstes Anemometer bekannt wurde. Im Jahr 1607 konstruierte Galileo Galilei ein Thermoskop. Im Jahr 1611 schrieb Johannes Kepler die erste wissenschaftliche Abhandlung über Schneekristalle: "Strena Seu de Nive Sexangula (Ein Neujahrsgeschenk aus sechseckigem Schnee)". Im Jahr 1643 erfand Evangelista Torricelli das Quecksilberbarometer. 1662 erfand Sir Christopher Wren den mechanischen, sich selbst entleerenden Regenmesser mit kippbarem Eimer. 1714 schuf Gabriel Fahrenheit eine zuverlässige Skala zur Messung der Temperatur mit einem Quecksilberthermometer. 1742 schlug Anders Celsius, ein schwedischer Astronom, die Celsius-Temperaturskala vor, den Vorläufer der heutigen Celsius-Skala. 1783 wurde das erste Haarhygrometer von Horace-Bénédict de Saussure vorgestellt. 1802-1803 schrieb Luke Howard das Buch On the Modification of Clouds (Über die Veränderung der Wolken), in dem er den Wolkenarten lateinische Namen zuweist. Im Jahr 1806 führte Francis Beaufort sein System zur Klassifizierung der Windgeschwindigkeiten ein. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden die ersten Wolkenatlanten veröffentlicht, darunter der Internationale Wolkenatlas, der seither immer wieder aufgelegt wird. Mit dem Start des ersten erfolgreichen Wettersatelliten, TIROS-1, im April 1960 begann das Zeitalter, in dem Wetterinformationen weltweit verfügbar wurden. ⓘ

Erforschung der atmosphärischen Zusammensetzung

1648 entdeckte Blaise Pascal erneut, dass der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, und folgerte daraus, dass sich über der Atmosphäre ein Vakuum befindet. 1738 veröffentlichte Daniel Bernoulli die Hydrodynamik und begründete damit die kinetische Theorie der Gase und stellte die grundlegenden Gesetze für die Gastheorie auf. 1761 entdeckte Joseph Black, dass Eis beim Schmelzen Wärme absorbiert, ohne seine Temperatur zu verändern. Im Jahr 1772 entdeckte Blacks Schüler Daniel Rutherford Stickstoff, den er als phlogistische Luft bezeichnete, und gemeinsam entwickelten sie die Phlogistontheorie. Im Jahr 1777 entdeckte Antoine Lavoisier den Sauerstoff und entwickelte eine Erklärung für die Verbrennung. 1783 verwirft Lavoisier in seinem Aufsatz "Reflexions sur le phlogistique" die Phlogistontheorie und schlägt eine kalorische Theorie vor. 1804 stellte John Leslie fest, dass eine mattschwarze Oberfläche Wärme effektiver abstrahlt als eine polierte Oberfläche, was auf die Bedeutung der Schwarzkörperstrahlung hindeutet. 1808 verteidigte John Dalton in A New System of Chemistry die Wärmetheorie und beschrieb, wie sie sich mit der Materie, insbesondere mit Gasen, verbindet; er schlug vor, dass sich die Wärmekapazität von Gasen umgekehrt zum Atomgewicht verhält. 1824 analysierte Sadi Carnot den Wirkungsgrad von Dampfmaschinen mit Hilfe der Wärmetheorie; er entwickelte den Begriff des reversiblen Prozesses und legte mit dem Postulat, dass es so etwas in der Natur nicht gibt, die Grundlage für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. ⓘ

Erforschung von Wirbelstürmen und Luftströmungen

Allgemeine Zirkulation in der Erdatmosphäre: Die Westwinde und Passatwinde sind Teil der atmosphärischen Zirkulation der Erde. ⓘ

Im Jahr 1494 erlebte Christoph Kolumbus einen tropischen Wirbelsturm, der zum ersten schriftlichen europäischen Bericht über einen Hurrikan führte. 1686 legte Edmund Halley eine systematische Studie der Passatwinde und Monsune vor und identifizierte die Sonnenerwärmung als Ursache der atmosphärischen Bewegungen. Im Jahr 1735 verfasste George Hadley eine ideale Erklärung der globalen Zirkulation durch das Studium der Passatwinde. Als Benjamin Franklin 1743 durch einen Wirbelsturm daran gehindert wurde, eine Mondfinsternis zu sehen, stellte er fest, dass sich Wirbelstürme entgegengesetzt zu den Winden an ihrer Peripherie bewegen. Das Verständnis der Kinematik, wie genau die Erdrotation die Luftströmung beeinflusst, war zunächst nur teilweise vorhanden. Gaspard-Gustave Coriolis veröffentlichte 1835 eine Arbeit über die Energieausbeute von Maschinen mit rotierenden Teilen, wie z. B. Wasserrädern. Im Jahr 1856 schlug William Ferrel die Existenz einer Zirkulationszelle in den mittleren Breiten vor, in der die Luft durch die Corioliskraft abgelenkt wird, was zu den vorherrschenden Westwinden führt. Ende des 19. Jahrhunderts wurde die Bewegung der Luftmassen entlang der Isobaren als Ergebnis der großräumigen Wechselwirkung zwischen der Druckgradientenkraft und der ablenkenden Kraft verstanden. Bis 1912 wurde diese Ablenkungskraft als Coriolis-Effekt bezeichnet. Kurz nach dem Ersten Weltkrieg entwickelte eine Gruppe von Meteorologen in Norwegen unter der Leitung von Vilhelm Bjerknes das norwegische Wirbelsturm-Modell, das die Entstehung, Verstärkung und den endgültigen Zerfall (den Lebenszyklus) von Wirbelstürmen in mittleren Breitengraden erklärt und die Idee der Fronten, d. h. scharf definierter Grenzen zwischen Luftmassen, einführte. Zu dieser Gruppe gehörten Carl-Gustaf Rossby (der als erster die großräumige atmosphärische Strömung mit Hilfe der Strömungsdynamik erklärte), Tor Bergeron (der als erster feststellte, wie Regen entsteht) und Jacob Bjerknes. ⓘ

Beobachtungsnetze und Wettervorhersage

Klassifizierung der Wolken nach der Höhe ihres Auftretens ⓘ

Diese "Hyetographic or Rain Map of the World" wurde erstmals 1848 von Alexander Keith Johnston veröffentlicht. ⓘ

Diese "Hyetographic or Rain Map of Europe" wurde ebenfalls 1848 als Teil von "The Physical Atlas" veröffentlicht. ⓘ

Im späten 16. und in der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts wurde eine Reihe von meteorologischen Instrumenten erfunden - Thermometer, Barometer, Hydrometer sowie Wind- und Regenmesser. In den 1650er Jahren begannen Naturphilosophen, diese Instrumente zu nutzen, um Wetterbeobachtungen systematisch aufzuzeichnen. Wissenschaftliche Akademien legten Wettertagebücher an und organisierten Beobachtungsnetze. Im Jahr 1654 gründete Ferdinando II. de Medici das erste Wetterbeobachtungsnetz, das aus meteorologischen Stationen in Florenz, Cutigliano, Vallombrosa, Bologna, Parma, Mailand, Innsbruck, Osnabrück, Paris und Warschau bestand. Die gesammelten Daten wurden in regelmäßigen Abständen nach Florenz geschickt. In den 1660er Jahren förderte Robert Hooke von der Royal Society of London Netzwerke von Wetterbeobachtern. In Hippokrates' Abhandlung Airs, Waters, and Places war das Wetter mit Krankheiten in Verbindung gebracht worden. So versuchten frühe Meteorologen, Wettermuster mit dem Ausbruch von Epidemien und das Klima mit der öffentlichen Gesundheit in Verbindung zu bringen. ⓘ

Im Zeitalter der Aufklärung versuchte die Meteorologie, die traditionelle Wetterkunde zu rationalisieren, einschließlich der astrologischen Meteorologie. Aber es gab auch Versuche, ein theoretisches Verständnis der Wetterphänomene zu entwickeln. Edmond Halley und George Hadley versuchten, die Passatwinde zu erklären. Sie argumentierten, dass die aufsteigende Masse erwärmter Äquatorluft durch einen Zustrom kühlerer Luft aus hohen Breiten ersetzt wird. Ein Strom warmer Luft in großer Höhe vom Äquator zu den Polen schuf wiederum ein frühes Bild der Zirkulation. Die Frustration über die mangelnde Disziplin der Wetterbeobachter und die schlechte Qualität der Instrumente veranlasste die frühneuzeitlichen Nationalstaaten, große Beobachtungsnetze zu organisieren. So hatten die Meteorologen Ende des 18. Jahrhunderts Zugang zu großen Mengen zuverlässiger Wetterdaten. 1832 wurde von Baron Schilling ein elektromagnetischer Telegraf entwickelt. Mit der Einführung des elektrischen Telegrafen im Jahr 1837 stand zum ersten Mal eine praktische Methode zur Verfügung, um schnell Wetterbeobachtungen aus einem großen Gebiet zu sammeln. ⓘ

Diese Daten konnten zur Erstellung von Karten über den Zustand der Atmosphäre in einer Region nahe der Erdoberfläche und zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung dieser Zustände verwendet werden. Um auf der Grundlage dieser Daten häufige Wettervorhersagen machen zu können, war ein zuverlässiges Beobachtungsnetz erforderlich, aber erst 1849 begann die Smithsonian Institution unter der Leitung von Joseph Henry mit dem Aufbau eines Beobachtungsnetzes in den Vereinigten Staaten. Zu dieser Zeit wurden auch in Europa ähnliche Beobachtungsnetze eingerichtet. Reverend William Clement Ley war maßgeblich am Verständnis der Zirruswolken und der frühen Erkenntnisse über Jet Streams beteiligt. Charles Kenneth Mackinnon Douglas, bekannt als "CKM" Douglas, las Leys Schriften nach dessen Tod und führte die frühen Studien über Wettersysteme fort. Die Meteorologen des neunzehnten Jahrhunderts kamen aus dem militärischen oder medizinischen Bereich und waren keine ausgebildeten Wissenschaftler. 1854 berief die britische Regierung Robert FitzRoy in das neue Amt des meteorologischen Statisten des Board of Trade, der die Aufgabe hatte, Wetterbeobachtungen auf See zu sammeln. Das Büro von FitzRoy wurde 1854 zum United Kingdom Meteorological Office, dem zweitältesten nationalen Wetterdienst der Welt (die Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) in Österreich wurde 1851 gegründet und ist der älteste Wetterdienst der Welt). Die ersten täglichen Wettervorhersagen von FitzRoy's Office wurden 1860 in der Zeitung The Times veröffentlicht. Im folgenden Jahr wurde ein System eingeführt, bei dem in den wichtigsten Häfen Sturmwarnkegel aufgestellt wurden, wenn ein Sturm erwartet wurde. ⓘ

In den nächsten 50 Jahren richteten viele Länder nationale meteorologische Dienste ein. Das Indische Meteorologische Amt (1875) wurde gegründet, um tropische Wirbelstürme und den Monsun zu beobachten. Das Finnische Meteorologische Zentralamt (1881) wurde aus einem Teil des Magnetischen Observatoriums der Universität Helsinki gebildet. Japans Meteorologisches Observatorium in Tokio, der Vorläufer der Japanischen Meteorologischen Agentur, begann 1883 mit der Erstellung von Oberflächenwetterkarten. Das United States Weather Bureau (1890) wurde im Rahmen des Landwirtschaftsministeriums der Vereinigten Staaten gegründet. Das australische Bureau of Meteorology (1906) wurde durch ein Meteorologiegesetz gegründet, um die bestehenden meteorologischen Dienste der einzelnen Bundesstaaten zu vereinheitlichen. ⓘ

Numerische Wettervorhersage

Besonders in der Klimatologie (Klimamodell), aber auch in der Meteorologie (Numerische Wettervorhersage) und Fernerkundung spielen Modelle eine herausragende Rolle. Sie gewinnen ihre Bedeutung durch verschiedene Faktoren:

• Mit zunehmender Entwicklung der Messtechnik und dem steigenden Anspruch an Wettervorhersagen steigt auch die Datenmenge enorm an. Dadurch ist eine schriftliche Auswertung der Daten auf Wetterkarten nicht mehr ausreichend. Vereinfachte Modelle und Rechnersimulationen sind daher schneller, kostengünstiger und ermöglichen erst die umfangreiche Datenauswertung.
• Der Zeiträume in denen viele Effekte, beispielsweise Meeresspiegelschwankungen, auftreten sind enorm lang und können nur mit Modellen simuliert werden. Sie sind nicht direkt beobachtbar und zudem existieren keine durchgehenden und qualitativ ausreichenden Messreihen für solche Zeiträume. Meteorologen haben also in der Regel kein Labor, in dem sie Messungen durchführen können, und sind daher auf theoretische Modelle angewiesen. Diese müssen daraufhin wiederum mit real beobachteten Effekten verglichen werden. Ausnahmen sind beispielsweise die Klimakammer AIDA des Forschungszentrums Karlsruhe und die Klimakammer am Forschungszentrum Jülich. ⓘ

Das Design von Modellen ist ebenso eine Herausforderung, wie deren inhaltliche Gestaltung. Nur Modelle, welche die Natur möglichst adäquat beschreiben, sind in Forschung wie Praxis sinnvoll einsetzbar. Da solche Modelle wegen der Komplexität des modellierten Systems leicht ganze Rechenzentren beschäftigen können, ist eine effiziente Algorithmik, also die Natur vereinfachende statistische Annahme, ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung der Modelle. Nur auf diese Weise können Rechenzeit und somit die Kosten überschaubar gehalten werden. ⓘ

In den 1920er Jahren hat der Mathematiker Lewis Fry Richardson Methoden entwickelt, mit Hilfe derer die enorme Komplexität mathematischer meteorologischer Modelle angegangen werden konnten. Diese sind heute noch häufig die Grundlage meteorologischer Simulationen (Simulationsmodell) auf Supercomputern. Diese dienen daher auch nicht ohne Grund in sehr vielen Fällen zur Simulation der Wetter- bzw. Klimadynamik, wobei diese ihre Grenzen, trotz teilweise gigantischer Größendimensionen, schnell erreichen. ⓘ

Es lassen sich verschiedene Arten von Atmosphärenmodellen grob unterscheiden: Strahlungstransfermodelle (bspw. KOPRA), Chemietransportmodelle (bspw. ECHAM) und dynamische Modelle. Der Trend geht jedoch zu integrierten Modellen oder „Weltmodellen“, die die gesamte Natur nachzeichnen (SIBERIA 2). ⓘ

Bei der Verbesserung der Qualität der Modelle fließen, wie überall in der physikalischen Modellierung, sowohl statistische Verfahrensweisen als auch experimentelle Beobachtungen, neue Ideen usw. in das Verfahren ein. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Entwicklung, die zur Erkenntnis geführt hat, dass die Veränderung von Spurengasmengen in der Atmosphäre (bspw. Kohlendioxid oder Ozon) zu einer „ungesunden“ Wärmeentwicklung der Biosphäre führen können (bspw. Treibhauseffekt, Abkühlung der Stratosphäre). Auch die Entdeckung des Ozonloches und die Verstärkung des Augenmerks der Wissenschaftler auf die damit zusammenhängende Atmosphärenchemie fällt in diese Kategorie. ⓘ

Einfachstes meteorologisches Modell und zugleich die erste Bewährungsprobe für alle neuentwickelten Modelle zur Wettervorhersage ist die simple Übertragung des aktuellen Wetters auf die Zukunft. Es gilt hierbei der einfache Grundsatz eines konstanten Wetters, man nimmt also an, das Wetter des nächsten Tages wird dem des aktuellen Tages entsprechen. Dies wird als Persistenzprognose bezeichnet. Da Wetterlagen oft lange nahezu gleich bleibend sind, hat diese einfache Annahme bereits eine Erfolgswahrscheinlichkeit von circa 60 %. ⓘ

Ein Meteorologe an der Konsole des IBM 7090 in der Joint Numerical Weather Prediction Unit. ca. 1965 ⓘ

1904 argumentierte der norwegische Wissenschaftler Vilhelm Bjerknes in seinem Aufsatz Weather Forecasting as a Problem in Mechanics and Physics erstmals, dass es möglich sein sollte, das Wetter anhand von Berechnungen auf der Grundlage von Naturgesetzen vorherzusagen. ⓘ

Erst später im 20. Jahrhundert führten Fortschritte im Verständnis der Atmosphärenphysik zu den Grundlagen der modernen numerischen Wettervorhersage. Lewis Fry Richardson veröffentlichte 1922 "Weather Prediction By Numerical Process" (Wettervorhersage durch numerische Verfahren), nachdem er Notizen und Ableitungen gefunden hatte, an denen er als Krankenwagenfahrer im Ersten Weltkrieg gearbeitet hatte. Er beschrieb, wie kleine Terme in den Gleichungen der prognostischen Strömungsdynamik, die die atmosphärische Strömung regeln, vernachlässigt werden konnten und ein numerisches Berechnungsschema entwickelt werden konnte, das Vorhersagen ermöglichte. Richardson stellte sich ein großes Auditorium mit Tausenden von Menschen vor, die die Berechnungen durchführen sollten. Die schiere Anzahl der erforderlichen Berechnungen war jedoch zu groß, um sie ohne elektronische Computer durchzuführen, und die Größe des Gitters und der Zeitschritte, die bei den Berechnungen verwendet wurden, führten zu unrealistischen Ergebnissen. Spätere numerische Analysen ergaben jedoch, dass dies auf eine numerische Instabilität zurückzuführen war. ⓘ

Ab den 1950er Jahren wurden numerische Vorhersagen mit Computern möglich. Die ersten Wettervorhersagen, die auf diese Weise erstellt wurden, verwendeten barotrope (auf einer vertikalen Ebene angesiedelte) Modelle und konnten die großräumige Bewegung der Rossby-Wellen in den mittleren Breiten erfolgreich vorhersagen, d. h. das Muster der atmosphärischen Tiefs und Hochs. 1959 erhielt das britische Meteorologische Amt seinen ersten Computer, einen Ferranti Mercury. ⓘ

In den 1960er Jahren wurde die chaotische Natur der Atmosphäre zum ersten Mal von Edward Lorenz beobachtet und mathematisch beschrieben, wodurch das Gebiet der Chaostheorie begründet wurde. Diese Fortschritte haben dazu geführt, dass heute in den meisten großen Vorhersagezentren Ensemble-Prognosen verwendet werden, um die Unsicherheiten zu berücksichtigen, die sich aus der chaotischen Natur der Atmosphäre ergeben. Es wurden mathematische Modelle zur Vorhersage des langfristigen Wetters auf der Erde (Klimamodelle) entwickelt, die heute eine ebenso grobe Auflösung haben wie die älteren Wettervorhersagemodelle. Diese Klimamodelle werden verwendet, um langfristige Klimaveränderungen zu untersuchen, z. B. welche Auswirkungen der Ausstoß von Treibhausgasen durch den Menschen haben könnte. ⓘ

Meteorologen

Meteorologen sind Wissenschaftler, die auf dem Gebiet der Meteorologie arbeiten und forschen. Die American Meteorological Society veröffentlicht ein maßgebliches elektronisches Meteorologie-Glossar und aktualisiert es ständig. Meteorologen arbeiten in Regierungsbehörden, privaten Beratungs- und Forschungsdiensten, Industrieunternehmen, Versorgungsbetrieben, Radio- und Fernsehstationen und im Bildungswesen. In den Vereinigten Staaten hatten Meteorologen im Jahr 2018 etwa 10.000 Arbeitsplätze. ⓘ

Obwohl Wettervorhersagen und -warnungen die bekanntesten Produkte von Meteorologen in der Öffentlichkeit sind, sind Wettermoderatoren in Radio und Fernsehen nicht unbedingt professionelle Meteorologen. Meistens handelt es sich um Reporter mit wenig formaler meteorologischer Ausbildung, die unregulierte Bezeichnungen wie Wetterspezialist oder Wetterfrosch verwenden. Die American Meteorological Society und die National Weather Association vergeben "Gütesiegel" an Wettermoderatoren, die bestimmte Anforderungen erfüllen, aber dies ist nicht zwingend erforderlich, um von den Medien eingestellt zu werden. ⓘ

Ausrüstung

Die wichtigste Aufgabe und zugleich das größte Problem der Meteorologie als empirischer Wissenschaft besteht in der Erfassung, Bearbeitung und insbesondere in der Bewertung und dem Vergleich von Daten. Im Unterschied zu anderen Naturwissenschaften kann man in der Meteorologie dabei nur für eine kleine Minderheit von Fragestellungen kontrollierbare Laborbedingungen herstellen. Meteorologische Datenerfassung ist daher in der Regel an die von der Natur vorgegebenen Rahmenbedingungen geknüpft, was die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen einschränkt und insbesondere den Reduktionismus auf geschlossene, durch eine Messung beantwortbare, Fragestellungen erschwert. ⓘ

Anordnung der Wetterdaten ⓘ

Die wichtigsten Grundgrößen sind:

• Lufttemperatur
• Luftfeuchtigkeit (Taupunkt)
• Luftdruck
• Luftdichte
• Windgeschwindigkeit als Vektor (horizontal und vertikal) oder als
  • Windrichtung bzw. Hauptwindrichtung und
  • Windstärke (phänomenologisch)
• Niederschlagsart
• Niederschlagsmenge
• Bewölkung
• Sichtweite
• Globalstrahlung
• Albedo ⓘ

Viele dieser Messwerte werden in Klimagärten erhoben. ⓘ

Diese Größen werden in verschiedenen Standardformaten zum Datenaustausch bereitgestellt. In der Luftfahrt wird beispielsweise der Meteorological Aviation Routine Weather Report (METAR)-Code genutzt, für die Übertragung meteorologischer Daten von Landstationen der SYNOP FM12/13-Code, auf See gewonnene Daten werden mit dem Ship-Code verschlüsselt. Zur Klassifizierung der Ausprägung eines Parameters können unterschiedliche Hilfsmittel eingesetzt werden, für Wind beispielsweise kann die Beaufortskala oder die Sichtmarkentabelle einer Wetterstation dienen. Meteorologische Daten werden abhängig vom jeweiligen Status einer Wetterstation im Messnetz (als Klimastation, Niederschlagsmessstation oder synoptische Station) stündlich oder 2 bis 3 Mal am Tag (um 7 und 19 Uhr oder um 7, 12 und 19 Uhr) gewonnen und international ausgetauscht sowie national verarbeitet. Die Daten werden durch eine Vielzahl von meteorologischen Messgeräten erfasst, wobei die folgende Aufzählung nur die wichtigsten Beispiele aus dieser Vielfalt auflistet:

Wetterkarte mit Stationsdaten ⓘ

• Thermometer bzw. Thermograph (Temperatur bzw. Temperaturschreiber)
• Hygrometer bzw. Hygrograph (Luftfeuchtigkeit bzw. Luftfeuchtigkeitsschreiber)
• Thermohygrograph (Temperatur/Luftfeuchtigkeitschreiber)
• Barometer bzw. Barograph (Luftdruckmesser bzw. Luftdruckschreiber)
• Niederschlagsmesser bzw. Regenmesser/Ombrometer (Niederschlagsart/Niederschlagsmenge)
• Anemometer (Windgeschwindigkeit) bzw. Windsack (Windstärke/Windrichtung)
• Windfahne (Windrichtung)
• SODAR (Windgeschwindigkeit/Windrichtung)
• Aerograph (in Europa nicht üblich) oder der Anemograph bzw. Schreiber für Windrichtung und Windgeschwindigkeit
• Niederschlagsradar (Doppler-Radar)
• Wettersatellit
• Lysimeter (Versickerungs-Verdunstungs-Verhältnis → Evapotranspiration)
• Netradiometer/Netto Radiometer (Strahlungsbilanzmesser)
• Pyranometer (Globalstrahlungssensor)
• Albedometer (Reflexstrahlungsmesser) ⓘ

Aus der Vielzahl von Messgeräten, der Art der Messgrößen und den Zielen ihrer Verwendung ergeben sich zahlreiche Probleme. ⓘ

Für die Messgröße Niederschlag beispielsweise sind verschiedene Messgeräte zur Erfassung von Regen, Tau, Schnee und Hagel weit verbreitet und praxiserprobt. Aus methodischen Gründen wird die Erfassung von flüssigem (Regen, Tau) und festem (Schnee, Hagel) Niederschlägen unterschieden und die Messgröße daher nach den erfassten Niederschlagsarten klassifiziert angegeben. Die Messgenauigkeit der marktgängigen Verfahren zur Bestimmung des flüssigen Niederschlages kann mit ca. 30 % angesetzt werden, die des festen Niederschlages ist nicht besser. Andere Hydrometeore werden durch Ansaugen einer Luftmenge oder durch die Ablagerung an Stäben erfasst und volumetrisch bestimmt. ⓘ

Die Qualität der Niederschlagsmessungen wird in erster Linie durch die Parameter Wind, Lufttemperatur, Aufstellungshöhe über Grund, Verdunstung und Aufstellort beeinflusst. Die Frage ihrer Vergleichbarkeit beziehungsweise der notwendigen Korrekturen ist Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen; für verschiedenste Niederschlagsmesser sind bereits zahlreiche Vergleiche durchgeführt worden (siehe hierzu WMO bzw. CIMO). ⓘ

Auch die Messung der anderen meteorologischen Größen ist mit ähnlichen, wenn auch geringeren Problemen behaftet: beispielsweise konnte lange Zeit die vertikale Komponente der Windgeschwindigkeit nicht richtig erfasst werden und auch heute noch ist die Messung vertikaler Gradienten sehr aufwändig. Man beschränkt sich daher auch meist auf Bodenmessungen, wobei man je nach Messgröße standardisierte Bodenabstände von meist zwei oder zehn Metern anwendet. Zu beachten ist hierbei, dass eine einzelne meteorologische Messung nahezu bedeutungslos ist und die Wetterdynamik in größeren Raumskalen nur durch eine Vielzahl von Messungen verstanden und prognostiziert werden kann. Diese Messungen müssen hierfür jedoch vergleichbar sein, weshalb die Normung und Standardisierung von Messgeräten und Messverfahren in der Meteorologie sehr wichtig ist, aufgrund vielfältiger praktischer Probleme jedoch nur bedingt umgesetzt werden kann. Man spricht daher auch von Messnetzen und der Einrichtung von Wetterstationen. Diese befolgen in der Regel die VDI-Richtlinie 3786 oder andere, teilweise weltweit durch die World Meteorological Organization standardisierte Richtlinien. ⓘ

Zu einer räumlichen Vergleichbarkeit der Daten, die zur Wettervorhersage notwendig ist, kommt jedoch auch eine zeitliche Vergleichbarkeit, die unter anderem für Klimaprognosen eine entscheidende Rolle spielt. Wird die Entwicklung der Messgeräte und damit der Messgenauigkeit bei der Analyse teilweise sehr alter Daten nicht berücksichtigt, so sind diese Daten wissenschaftlich beinahe wertlos, weshalb weltweit oft veraltete und seit Jahrzehnten unveränderte Messgeräte noch sehr weit verbreitet sind. Auch ist dies eine Kostenfrage, denn es ist hier nicht immer sinnvoll, die modernsten und damit teuersten Messgeräte zu verwenden, da diese nur für einzelne Länder bzw. Institute bezahlbar sind. Zudem ist jeder Wechsel der Messapparatur mit einem Wechsel der Datenqualität verknüpft, was bei längeren und sehr wertvollen Messreihen von vielen Jahrzehnten bis wenigen Jahrhunderten leicht zu falsch postulierten bzw. interpretierten Trends führen kann. Es wird also oft zugunsten der Vergleichbarkeit auf eine höhere Genauigkeit verzichtet. Bei einer globalen Erwärmung von wenigen Grad Celsius sind diese sehr alten Daten meist wenig hilfreich, da schon ihr Messfehler in der Regel den Effekt dieser möglichen Temperaturänderungen übersteigt. Ein großer Teil der Argumente von sogenannten „Klimaskeptikern“ basiert auf dieser teilweise umstrittenen Datenlage, es existieren jedoch auch andere natürliche Klimaarchive mit wesentlich genaueren Daten über sehr lange Zeiträume. Mit der Diskussion um die Aussagekraft von Temperaturaufzeichnungen hat sich u. a. das BEST-Projekt an der Universität Berkeley beschäftigt. ⓘ

Es ergibt sich also die Notwendigkeit, bedingt durch standortspezifische, personelle und messtechnische Faktoren, Messdaten kritisch zu hinterfragen und diese richtig einzuordnen. In der Meteorologie steht hierbei die räumliche Datenanalyse im Vordergrund, in der ansonsten eng verwandten Klimatologie spielt hingegen die zeitliche Datenanalyse (Zeitreihenanalyse) die Hauptrolle. ⓘ

Satellitenbild des Hurrikans Hugo mit einem Polartief am oberen Bildrand ⓘ

Jede Wissenschaft hat ihre eigene einzigartige Laborausrüstung. In der Atmosphäre gibt es viele Dinge oder Eigenschaften der Atmosphäre, die gemessen werden können. Regen, der überall und jederzeit beobachtet werden kann, war eine der ersten atmosphärischen Eigenschaften, die historisch gemessen wurden. Zwei weitere genau gemessene Eigenschaften sind Wind und Luftfeuchtigkeit. Beide kann man nicht sehen, aber fühlen. Die Geräte zur Messung dieser drei Eigenschaften kamen Mitte des 15. Jahrhunderts auf und waren der Regenmesser, das Anemometer und das Hygrometer. Vor dem 15. Jahrhundert wurden viele Versuche unternommen, geeignete Geräte zur Messung der zahlreichen atmosphärischen Variablen zu konstruieren. Viele waren in irgendeiner Weise fehlerhaft oder einfach nicht zuverlässig. Selbst Aristoteles wies in einigen seiner Werke auf die Schwierigkeit hin, die Luft zu messen. ⓘ

Messreihen an der Oberfläche sind für Meteorologen wichtige Daten. Sie geben eine Momentaufnahme einer Vielzahl von Wetterbedingungen an einem einzigen Ort wieder und befinden sich in der Regel an einer Wetterstation, einem Schiff oder einer Wetterboje. Die Messungen an einer Wetterstation können eine beliebige Anzahl von atmosphärischen Messgrößen umfassen. In der Regel werden Temperatur, Druck, Wind und Luftfeuchtigkeit mit einem Thermometer, Barometer, Anemometer bzw. Hygrometer gemessen. Professionelle Stationen können auch Sensoren für die Luftqualität (Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Ozon, Staub und Rauch), Ceilometer (Wolkendecke), Niederschlagssensoren, Hochwassersensoren, Blitzsensoren und Mikrofone (Explosionen, Überschallknall, Donner) umfassen, Pyranometer/Pyrheliometer/Spektroradiometer (IR/Vis/UV-Fotodioden), Regenmesser/Schneemesser, Szintillationszähler (Hintergrundstrahlung, Fallout, Radon), Seismometer (Erdbeben und Erschütterungen), Transmissometer (Sichtbarkeit) und eine GPS-Uhr zur Datenaufzeichnung. Daten aus der oberen Luftschicht sind für die Wettervorhersage von entscheidender Bedeutung. Die am häufigsten verwendete Technik ist der Start von Radiosonden. Ergänzend zu den Radiosonden wird von der Weltorganisation für Meteorologie ein Netz von Flugzeugsammlungen organisiert. ⓘ

Fernerkundung, wie sie in der Meteorologie verwendet wird, ist das Konzept der Sammlung von Daten über entfernte Wetterereignisse und der anschließenden Erstellung von Wetterinformationen. Die gängigsten Arten der Fernerkundung sind Radar, Lidar und Satelliten (oder Photogrammetrie). Jedes dieser Instrumente sammelt Daten über die Atmosphäre von einem entfernten Standort aus und speichert die Daten in der Regel dort, wo sich das Instrument befindet. Radar und Lidar sind nicht passiv, da beide EM-Strahlung verwenden, um einen bestimmten Teil der Atmosphäre zu beleuchten. Wettersatelliten und allgemeinere Erdbeobachtungssatelliten, die die Erde in verschiedenen Höhen umkreisen, sind zu einem unverzichtbaren Instrument für die Untersuchung einer Vielzahl von Phänomenen geworden, von Waldbränden bis zu El Niño. ⓘ

Räumliche Skalen

Die Erforschung der Atmosphäre kann in verschiedene Bereiche unterteilt werden, die sowohl von zeitlichen als auch räumlichen Maßstäben abhängen. Das eine Extrem dieser Skala ist die Klimatologie. Auf der Zeitskala von Stunden bis Tagen unterteilt sich die Meteorologie in Mikro-, Meso- und synoptische Meteorologie. Die räumliche Größe jeder dieser drei Skalen steht in direktem Zusammenhang mit der entsprechenden Zeitskala. ⓘ

Weitere Unterkategorien werden verwendet, um die einzigartigen, lokalen oder weitreichenden Auswirkungen innerhalb dieser Unterkategorien zu beschreiben. ⓘ

Typische Skalen atmosphärischer Bewegungssysteme ⓘ

Art der Bewegung	Horizontale Skala (Meter)
Molekulare mittlere freie Weglänge	10−7
Kleine turbulente Wirbel	10−2 – 10−1
Kleine Wirbel	10−1 – 1
Staubteufel	1–10
Böen	10 – 102
Wirbelstürme	102
Gewitterwolken	103
Fronten, Böenlinien	104 – 105
Wirbelstürme	105
Synoptische Wirbelstürme	106
Planetarische Wellen	107
Atmosphärische Gezeiten	107
Mittlerer zonaler Wind	107

Mikroskala

Mikroskalenmeteorologie ist die Untersuchung atmosphärischer Phänomene auf einer Skala von etwa 1 Kilometer oder weniger. Einzelne Gewitter, Wolken und lokale Turbulenzen, die durch Gebäude und andere Hindernisse (z. B. einzelne Hügel) verursacht werden, werden in diesem Maßstab modelliert. ⓘ

Mesoskala

Die mesoskalige Meteorologie ist die Untersuchung atmosphärischer Phänomene mit einer horizontalen Skala von 1 km bis 1000 km und einer vertikalen Skala, die an der Erdoberfläche beginnt und die atmosphärische Grenzschicht, die Troposphäre, die Tropopause und den unteren Teil der Stratosphäre umfasst. Mesoskalige Zeitskalen reichen von weniger als einem Tag bis zu mehreren Wochen. Zu den Ereignissen, die typischerweise von Interesse sind, gehören Gewitter, Böen, Fronten, Niederschlagsbänder in tropischen und außertropischen Wirbelstürmen sowie topografisch bedingte Wettersysteme wie Bergwellen und Meeres- und Landbrisen. ⓘ

Synoptische Skala

NOAA: Wetteranalyse auf der synoptischen Skala. ⓘ

Die Meteorologie auf der synoptischen Skala sagt atmosphärische Veränderungen auf einer Skala von bis zu 1000 km und 10⁵ Sekunden (28 Tage) in Zeit und Raum voraus. Auf der synoptischen Skala spielt die Coriolis-Beschleunigung, die auf sich bewegende Luftmassen (außerhalb der Tropen) einwirkt, eine entscheidende Rolle bei den Vorhersagen. Zu den Phänomenen, die typischerweise von der synoptischen Meteorologie beschrieben werden, gehören Ereignisse wie außertropische Wirbelstürme, barokline Tröge und Höhenrücken, Frontalzonen und in gewissem Maße auch Jetstreams. All diese Ereignisse werden in der Regel auf Wetterkarten für eine bestimmte Zeit dargestellt. Die minimale horizontale Skala der synoptischen Phänomene ist auf den Abstand zwischen den Beobachtungsstationen an der Oberfläche begrenzt. ⓘ

Globale Skala

Jährliche mittlere Meeresoberflächentemperaturen. ⓘ

Die Meteorologie auf globaler Ebene ist die Untersuchung von Wettermustern, die mit dem Wärmetransport von den Tropen zu den Polen zusammenhängen. Auf dieser Skala sind sehr großräumige Oszillationen von Bedeutung. Diese Oszillationen haben Zeiträume, die typischerweise in der Größenordnung von Monaten (z. B. die Madden-Julianische Oszillation) oder Jahren (z. B. die El-Niño-Südliche Oszillation und die Pazifische Dekadische Oszillation) liegen. Die Meteorologie im globalen Maßstab dringt in den Bereich der Klimatologie vor. Die traditionelle Definition des Klimas wird auf größere Zeitskalen ausgedehnt, und mit dem Verständnis der längerfristigen globalen Oszillationen können deren Auswirkungen auf das Klima und Wetterstörungen in die Vorhersagen auf synoptischen und mesoskaligen Zeitskalen einbezogen werden. ⓘ

Die numerische Wettervorhersage ist ein Schwerpunkt beim Verständnis der Luft-Meer-Wechselwirkung, der tropischen Meteorologie, der atmosphärischen Vorhersagbarkeit und der troposphärischen/stratosphärischen Prozesse. Das Naval Research Laboratory in Monterey, Kalifornien, hat ein globales atmosphärisches Modell namens Navy Operational Global Atmospheric Prediction System (NOGAPS) entwickelt. NOGAPS wird im Flottenzentrum für numerische Meteorologie und Ozeanographie des US-Militärs betrieben. Viele andere globale atmosphärische Modelle werden von nationalen meteorologischen Behörden betrieben. ⓘ

Einige meteorologische Grundsätze

Grenzschichtmeteorologie

Die Grenzschichtmeteorologie befasst sich mit den Vorgängen in der Luftschicht direkt über der Erdoberfläche, der so genannten atmosphärischen Grenzschicht (ABL). Die Auswirkungen der Oberfläche - Erwärmung, Abkühlung und Reibung - führen zu einer turbulenten Vermischung innerhalb der Luftschicht. Durch turbulente Bewegungen werden erhebliche Bewegungen von Wärme, Materie oder Impuls auf Zeitskalen von weniger als einem Tag verursacht. Die Grenzschichtmeteorologie umfasst die Untersuchung aller Arten von Grenzflächen zwischen Oberfläche und Atmosphäre, einschließlich Ozeanen, Seen, städtischem Land und nicht städtischem Land für die Untersuchung der Meteorologie. ⓘ

Dynamische Meteorologie

Die dynamische Meteorologie konzentriert sich im Allgemeinen auf die Strömungsdynamik der Atmosphäre. Das Konzept des Luftpakets wird verwendet, um das kleinste Element der Atmosphäre zu definieren, während die diskrete molekulare und chemische Natur der Atmosphäre ignoriert wird. Ein Luftpaket ist definiert als ein Punkt im Fluidkontinuum der Atmosphäre. Die grundlegenden Gesetze der Strömungsdynamik, Thermodynamik und Bewegung werden zur Untersuchung der Atmosphäre herangezogen. Die physikalischen Größen, die den Zustand der Atmosphäre charakterisieren, sind Temperatur, Dichte, Druck usw. Diese Variablen haben im Kontinuum eindeutige Werte. ⓘ

Anwendungen

Wettervorhersage

Vorhersage des Oberflächendrucks für fünf Tage in der Zukunft für den Nordpazifik, Nordamerika und den Nordatlantik ⓘ

Wettervorhersage ist die Anwendung von Wissenschaft und Technik, um den Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort vorherzusagen. Die Menschen haben seit Jahrtausenden versucht, das Wetter informell vorherzusagen, und mindestens seit dem 19. Jahrhundert. Wettervorhersagen werden durch das Sammeln quantitativer Daten über den aktuellen Zustand der Atmosphäre und die Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse über atmosphärische Prozesse erstellt, um zu prognostizieren, wie sich die Atmosphäre entwickeln wird. ⓘ

Einst ein rein menschliches Unterfangen, das hauptsächlich auf Veränderungen des Luftdrucks, der aktuellen Wetterlage und der Himmelsbedingungen beruhte, werden heute Vorhersagemodelle verwendet, um die zukünftigen Bedingungen zu bestimmen. Die Auswahl des bestmöglichen Vorhersagemodells, auf das sich die Vorhersage stützt, erfordert nach wie vor menschliche Eingaben, was Fähigkeiten zur Mustererkennung, Telekonnektionen, Kenntnisse der Modellleistung und Kenntnisse der Modellverzerrungen voraussetzt. Die chaotische Natur der Atmosphäre, die enorme Rechenleistung, die zur Lösung der Gleichungen, die die Atmosphäre beschreiben, erforderlich ist, die Fehler bei der Messung der Anfangsbedingungen und das unvollständige Verständnis der atmosphärischen Prozesse führen dazu, dass die Vorhersagen immer ungenauer werden, je größer der Unterschied zwischen der aktuellen Zeit und der Zeit, für die die Vorhersage gemacht wird (der Bereich der Vorhersage). Die Verwendung von Ensembles und Modellkonsens hilft, den Fehler zu verringern und das wahrscheinlichste Ergebnis auszuwählen. ⓘ

Es gibt eine Vielzahl von Endnutzen für Wettervorhersagen. Wetterwarnungen sind wichtige Prognosen, da sie zum Schutz von Leben und Eigentum dienen. Temperatur- und Niederschlagsvorhersagen sind wichtig für die Landwirtschaft und damit auch für Rohstoffhändler an den Börsen. Temperaturvorhersagen werden von Versorgungsunternehmen genutzt, um den Bedarf für die kommenden Tage abzuschätzen. Im Alltag nutzen die Menschen Wettervorhersagen, um zu entscheiden, was sie anziehen sollen. Da Aktivitäten im Freien durch starken Regen, Schnee und Windchill stark eingeschränkt werden, können Vorhersagen genutzt werden, um Aktivitäten im Zusammenhang mit diesen Ereignissen zu planen und sie im Voraus zu überleben. ⓘ

Flugmeteorologie

Die Luftfahrtmeteorologie befasst sich mit den Auswirkungen des Wetters auf das Luftverkehrsmanagement. Es ist wichtig, dass die Flugbesatzungen die Auswirkungen des Wetters auf ihren Flugplan und ihr Flugzeug verstehen, wie im Aeronautical Information Manual beschrieben:

Die Auswirkungen von Eis auf Flugzeuge sind kumulativ - der Schub wird reduziert, der Luftwiderstand erhöht, der Auftrieb verringert und das Gewicht erhöht. Das Ergebnis ist ein Anstieg der Überziehgeschwindigkeit und eine Verschlechterung der Flugleistungen. In extremen Fällen kann sich in weniger als 5 Minuten eine Eisschicht von 2 bis 3 Zoll an der Vorderkante des Tragflügels bilden. Schon ein halber Zoll Eis reicht aus, um die Auftriebskraft mancher Flugzeuge um 50 Prozent zu verringern und den Reibungswiderstand um den gleichen Prozentsatz zu erhöhen. ⓘ

Landwirtschaftliche Meteorologie

Meteorologen, Bodenkundler, Agrarhydrologen und Agronomen befassen sich mit der Untersuchung der Auswirkungen von Wetter und Klima auf die Pflanzenverteilung, den Ernteertrag, die Wassernutzungseffizienz, die Phänologie der Pflanzen- und Tierentwicklung und die Energiebilanz bewirtschafteter und natürlicher Ökosysteme. Umgekehrt interessieren sie sich für die Rolle der Vegetation auf Klima und Wetter. ⓘ

Hydrometeorologie

Die Hydrometeorologie ist der Zweig der Meteorologie, der sich mit dem Wasserkreislauf, dem Wasserhaushalt und der Niederschlagsstatistik von Gewittern beschäftigt. Ein Hydrometeorologe erstellt und veröffentlicht Vorhersagen über akkumulierten (quantitativen) Niederschlag, Starkregen und Starkschnee und weist auf Gebiete hin, in denen Sturzfluten drohen. In der Regel überschneidet sich das geforderte Wissensspektrum mit der Klimatologie, der mesoskaligen und synoptischen Meteorologie und anderen Geowissenschaften. ⓘ

Der multidisziplinäre Charakter des Fachgebiets kann zu technischen Herausforderungen führen, da sich die Werkzeuge und Lösungen der einzelnen beteiligten Disziplinen möglicherweise etwas anders verhalten, für unterschiedliche Hard- und Softwareplattformen optimiert sind und unterschiedliche Datenformate verwenden. Es gibt einige Initiativen - wie das DRIHM-Projekt -, die versuchen, dieses Problem anzugehen. ⓘ

Nuklearmeteorologie

Die Nuklearmeteorologie untersucht die Verteilung von radioaktiven Aerosolen und Gasen in der Atmosphäre. ⓘ

Maritime Meteorologie

• American Meteorological Society
• National Center for Atmospheric Research
• National Oceanic and Atmospheric Administration

• National Severe Storms Laboratory
• National Weather Service
• Storm Prediction Center
• National Hurricane Center
• National Climatic Data Center

• American Geophysical Union ⓘ

Die maritime Meteorologie befasst sich mit Luft- und Wellenvorhersagen für Schiffe, die auf See fahren. Organisationen wie das Ocean Prediction Center, das Vorhersagebüro des Honolulu National Weather Service, das United Kingdom Met Office und die JMA erstellen Hochseewettervorhersagen für die Weltmeere. ⓘ

Militärische Meteorologie

Unter Militärmeteorologie versteht man die Erforschung und Anwendung der Meteorologie für militärische Zwecke. In den Vereinigten Staaten beaufsichtigt der Commander, Naval Meteorology and Oceanography Command der United States Navy die meteorologischen Bemühungen für die Navy und das Marine Corps, während die Air Force Weather Agency der United States Air Force für die Air Force und die Army zuständig ist. ⓘ

Umweltmeteorologie

Die Umweltmeteorologie befasst sich hauptsächlich mit der physikalischen und chemischen Analyse der Ausbreitung von Industrieabgasen auf der Grundlage von meteorologischen Parametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind und verschiedenen Wetterbedingungen. ⓘ

Erneuerbare Energien

Zu den Anwendungen der Meteorologie im Bereich der erneuerbaren Energien gehören die Grundlagenforschung, die "Erkundung" und die Potenzialkartierung von Windkraft und Sonneneinstrahlung für Wind- und Solarenergie. ⓘ

Geschichte der Meteorologie

Ursprünge

Wetterbeobachtung war schon für die als Nomaden lebenden Menschen von Interesse, um die Wanderbewegungen der Beute- oder Herdentiere oder günstiges Wetter für längere Sammelausflüge einschätzen zu können. Beobachtung und Aufzeichnung des lokalen Wetters ist für Bauern eine wichtige Grundlage für grundlegende Entscheidungen: Wann sät man, wann erntet man?

• Je früher man sät, desto länger die mögliche Vegetationsperiode bis zur Ernte; bei früherem Säen drohen aber zugleich Einbußen durch Wettereinwirkungen auf die junge Saat.
• Je später man erntet, desto größer der Ertrag. Gleichwohl kann es besser sein, die Ernte etwas früher einzubringen, z. B. um sie vor einem nahenden Unwetter oder einer Schlechtwetterperiode in Sicherheit zu bringen ⓘ

Meteorologische Beobachtungen unternahm auch der Naturforscher und Philosoph Theophrastos von Eresos im 3. Jahrhundert v. Chr. ⓘ

Wetterbeobachtung und -forschung kann auch militärischen Zwecken dienen. Beispielsweise war für Seeschlachten eine zutreffende Prognose von Windrichtung und -stärke nützlich oder sogar entscheidend. ⓘ

Die Entdeckung Amerikas war der Auftakt für die „Eroberung der Weltmeere“. Der zunehmende interkontinentale Schiffsverkehr brachte viele neue Erkenntnisse über Wetterphänomene. Auf den Schiffen wurde das Wetter detailliert beobachtet und im Logbuch aufgezeichnet. ⓘ

Frühe theoretische Ansätze lieferte Albertus Magnus: In seiner Abhandlung De natura locorum beschrieb er die Abhängigkeit der Eigenschaften eines Ortes von seiner geografischen Lage. Solche Ansätze wirkten weiter, sichtbar etwa in einer kurzen Darlegung der theoretischen Klimatologie durch den Wiener Astronomen Georg Tannstetter (1514). ⓘ

Eine erste Revolution in der Wetterkunde setzte zwischen 1880 und 1900 ein, als die meteorologischen Dienste einzelner Staaten ihre Wetterdaten mittels drahtgebundener und drahtloser Telegrafie austauschen konnten und so ein zeitnaher Datenvergleich möglich wurde. Dadurch konnten erstmals synoptische Wetterkarten erscheinen. Basis dafür war die genaue Dokumentation in Beobachtungsbüchern oder -Tabellen und die Erforschung statistischer Korrelationen. ⓘ

20. Jahrhundert

Nach der Erfindung von Luftfahrzeugen (die erste Montgolfière fuhr 1783) konnte man mit Wetterballonen das Wetter in den unteren Luftschichten besser erforschen (siehe auch Chronologie der Luftfahrt). ⓘ

Ab der Erfindung des Motorflugs 1909 nahm die Bedeutung der Wetterforschung zu. Flugzeuge wurden zu wichtigen Forschungsgegenständen, mit denen man Wetter (z. B. „Wolken von oben“) großräumig beobachten bzw. fotografieren und Wetterdaten messen konnte. Mit dem Ersten Weltkrieg entwickelten sich die Flugzeugtechnik enorm weiter (z. B. maximale Flughöhe, Reichweite, Geschwindigkeit). ⓘ

Im Zweiten Weltkrieg wurde das in den 1930er Jahren entwickelte Radar eingesetzt. Spezielle Wetterradare ermöglichte die Gewinnung neuartiger Wetterbeobachtungsdaten. So unterhielt die Wehrmacht von 1941 bis 1945 Wetterstationen in der Arktis. ⓘ

Nach dem Krieg begann der Kalte Krieg. Viele Länder unternahmen große Anstrengungen zur Erforschung des Wetters (z. B. das US-Projekt „Thunderstorm“). Außerdem entwickelte und baute man Aufklärungsflugzeuge, die so hoch fliegen konnten, dass sie von gegnerischen Bodenraketen zu dieser Zeit nicht erreicht werden konnten. Das Spionageflugzeug Lockheed SR-71 hat eine Dienstgipfelhöhe von 24.385 Metern. ⓘ

Die Wetterforschung in großen Höhen diente vor allem der Raumfahrt, insbesondere der bemannten Raumfahrt (siehe auch Der Wettlauf ins Weltall im Kalten Krieg), und der Entwicklung von Interkontinentalraketen. ⓘ

Ein wesentlicher Meilenstein für die Wetterforschung war der Einsatz von Wettersatelliten. Der erste wurde 1960 gestartet. Von 1960 bis 1966 starteten die USA insgesamt 10 TIROS-Satelliten. Von 1968 bis 1978 starteten sie acht (davon ein Fehlstart) NIMBUS-Satelliten. Sie hatten auch Infrarotkameras an Bord. Damit kann man – auch nachts – Wetterphänomene (z. B. Wolken) filmen und quantifizieren, wie viel Wärme erwärmte Teile der Erdoberfläche (Landmassen, in geringem Maße auch Wasserflächen) nachts ins Weltall abstrahlen (siehe Erde#Globaler Energiehaushalt). Die Satellitenmeteorologie gilt als eigenständiges Teilgebiet der Meteorologie. ⓘ

Bekannte Wetterforscher waren z. B.

• Karl Ludwig Gronau (1742–1826)
• Wilhelm Jacob van Bebber (1841–1909)
• Ludwig Friedrich Kämtz (1801–1867)
• Karl Schneider-Carius (1896–1959) ⓘ

21. Jahrhundert

Einen Quantensprung in der Wettervorhersage ermöglichen die rasanten Fortschritte in der Elektronischen Datenverarbeitung („EDV“) und die schnell wachsende Rechenleistung. Immer größere Datenmengen von immer mehr Messstationen werden verarbeitet. Die komplexen Algorithmen und Modelle, nach denen sie ausgewertet werden, erfordern leistungsstarke Rechenanlagen. Dadurch werden die Vorhersagen präziser und auch detaillierter in ihrer lokalen Auflösung. ⓘ

Allgemeines

Skalendiagramm typischer atmosphärischer Bewegungsformen ⓘ

Zwar ist der Hauptfokus der Meteorologie auf die großskaligen dynamischen Prozesse innerhalb der heutigen Erdatmosphäre gerichtet, jedoch sind die im Rahmen eines besseren Verständnisses der Wetterdynamik entwickelten Modellvorstellungen desselben auch auf andere Systeme übertragbar. ⓘ

Man zählt daher auch begrenzte Raumklimate bzw. Stadtklimate, extraterrestrische Atmosphären oder Atmosphären vergangener Erdzeitalter (Paläoklimatologie) zu den Studienobjekten der Meteorologie. Diese spielen jedoch meist nur in der Forschung eine größere Rolle, wo sie auch teilweise als „Spielwiese“ zur Verbesserung derjenigen Modelle dienen, die auch die derzeitige Erdatmosphäre beschreiben. Man versucht daher, durch genaue Beobachtungen der Erdatmosphäre eine gesicherte Datengrundlage auszubilden und gleichzeitig diese Daten für die Schaffung eines immer besseren Verständnisses meteorologischer Prozesse heranzuziehen. ⓘ

Viele Methoden, Herangehensweisen und Ideen der dynamischen Meteorologie entspringen der allgemeinen Fluiddynamik und finden weitere Anwendung in Meereskunde, Geophysik und Ingenieurwissenschaft sowie in fast allen Umweltwissenschaften. ⓘ

Die Meteorologie ist – abgesehen von der Wetterbeobachtung (Wetterkunde) – eine junge Wissenschaft. Sie besitzt einen außerordentlich interdisziplinären Anspruch, vereint also sehr viele verschiedene Wissenschaften in sich. Wissenschaftliche Fachgebiete, die von der Meteorologie genutzt oder berührt werden, sind:

• Physik (Fluiddynamik, Thermodynamik, Elektromagnetismus, Optik)
• Mathematik (Numerik, partielle Differentialgleichungen, Funktionalanalysis, Lineare Algebra)
• Informatik (Programmiersprachen, Algorithmik, Behandlung großer Daten­mengen, Just-in-time-Verfahren, Visualisierung)
• Chemie (Ozon­chemie, Stickstoff­chemie, Kohlenstoff­chemie)
• Geowissenschaften (Klimatologie, Paläoklimatologie, Glaziologie)
• Biologie (Climate Impact, Einfluss von Bewuchs auf Wetter/Klima) ⓘ

Die Meteorologie lässt sich nach verschiedenen Richtungen unterteilen, wobei sich einige von ihnen stark überschneiden. ⓘ

Teilgebiete ⓘ

nach Verfahren	nach räumlichen Gegebenheiten	nach angewandten Techniken
allgemeine Meteorologie	Aerologie	Satellitenmeteorologie
theoretische Meteorologie	Aeronomie	Radar-Meteorologie
dynamische Meteorologie	Grenzschicht-Meteorologie	LIDAR-Meteorologie
experimentelle Meteorologie	Mikrometeorologie
angewandte Meteorologie Agrarmeteorologie Biometeorologie Energiemeteorologie Flugmeteorologie Hydrometeorologie synoptische Meteorologie technische Meteorologie	Maritime Meteorologie
	Alpine Meteorologie
	Glaziale Meteorologie
	Polare Meteorologie
	Mittelbreiten-Meteorologie
	Tropische Meteorologie

Diese Zusammenstellung ist nicht vollständig. Insbesondere beschäftigt sich die Meteorologie nicht nur mit der Troposphäre, also der untersten Schicht der Atmosphäre, sondern auch mit Stratosphäre und in beschränktem Umfang sogar mit Mesosphäre und Thermosphäre. ⓘ

Strahlungsmessung

Die Gewinnung von physikalischen Größen aus Messungen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums ist eine Herausforderung, die nur mit großem technischen Aufwand sowie durch Einsatz von Modellen gelingt. ⓘ

Satellitenmessung

Ein wichtiges Hilfsmittel für Meteorologen, speziell der Satellitenmeteorologie, bilden heutzutage die Satelliten, insbesondere die Wetter- und Umweltsatelliten. Man unterscheidet hierbei geostationäre Satelliten, die in einer Höhe von 36'000 km stationär über der Erde verankert sind, und Satelliten, die auf einem LEO in 400 bis 800 km die Erde umkreisen. Aufgrund der großflächigen Erfassung von Messdaten lassen sich mit Satelliten globale Zusammenhänge erfassen und damit letztendlich auch verstehen. ⓘ

Nur mittels Satelliten ist es heutzutage möglich, Informationen in Form von Beobachtungen auf globaler Basis und täglich aufgelöst über die Atmosphäre zu erlangen. Insbesondere den Zustand und die Zusammensetzung der oberen Atmosphäre (Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre) kann man nur wirkungsvoll durch den Einsatz von Satelliten untersuchen. ⓘ

Hohe räumliche und zeitliche Auflösung von Satellitendaten ist wünschenswert, da man dadurch in die Lage versetzt wird, effektiv Atmosphärenbestandteile und deren Änderung zu überwachen. Satellitendaten leisten beispielsweise bei der Überwachung der Entwicklung der Ozonlöcher wertvolle Dienste, indem man aus Satellitenmessungen direkt den Gehalt von Ozon pro Höhe und pro Tag sehr genau abschätzen kann. Viele andere atmosphärische Spurengase werden auf diese Weise überwacht (beispielsweise Methan, Kohlendioxid, Wasserdampf), aber auch Druck und Temperatur in der Atmosphäre können so sehr genau und räumlich exakt bestimmt werden. Die fortschreitende Entwicklung der Instrumente und der Trend zu kleinen hoch spezialisierten Satelliten macht es darüber hinaus möglich, auch anthropogen induzierte Störungen der Atmosphärenzusammensetzung zu verfolgen. Zusammen mit in-situ durchgeführten Messungen (beispielsweise per Ballon) und Modellrechnungen ergibt sich so nach und nach ein immer geschlosseneres Bild des Zustandes der Erdatmosphäre. ⓘ

Troposphärische Satellitendaten werden genutzt, um Erkenntnisse über Regionen zu erhalten, die keiner anderen Messmethode zugänglich sind. Ein Beispiel sind Niederschlagsschätzungen oder Windgeschwindigkeitsbestimmungen über den Ozeanen. Dort hat man kein enges Messnetz zur Verfügung und war lange Zeit auf großflächige Datenextrapolationen angewiesen, was selbst heute noch dazu führt, dass bei stark maritim geprägten Wetterlagen, beispielsweise an der Westküste Nordamerikas, wesentlich geringere Vorhersagequalitäten erreicht werden können als bei kontinental bestimmten Wetterlagen. Alle nicht satellitengestützten Datenerhebungen auf dem Ozean stammen hierbei aus Schiffs- oder Bojenmessungen beziehungsweise von Messstationen auf vereinzelten Inseln. Kenntnisse zu den Wetterverhältnissen über den Ozeanen können daher zu einer Verbesserung der Gesamtvorhersagen von Niederschlagsereignissen an Küsten führen. Dies ist gerade für vom Monsun betroffene Länder, wie Indien, eine lebenswichtige Information. ⓘ

Satellitendaten werden, beispielsweise über die sogenannte Datenassimilierung, als Grundlage in der Klimatologie genutzt, um deren Modelle zu verbessern bzw. zu stützen und eine umfassende und gleichmäßige Datenerfassung zu ermöglichen. ⓘ

Die Arbeit mit Satellitendaten erfordert weitreichende Kenntnisse in der Datenverarbeitung und der damit zusammengehörenden Technik und der Techniken (beispielsweise effiziente Programmierung). Große Datenmengen (heutzutage im Bereich von Terabytes) müssen empfangen, weitergeleitet, gespeichert, verarbeitet und archiviert werden. ⓘ

Wetterdaten

Um den Austausch von Wetterdaten (aktuell, historisch, prognostiziert) zu vereinfachen, hat die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) das Datenformat GRIB, engl. GRIdded Binary, definiert. ⓘ

Die Rechtslage ist ausgesprochen komplex (ebenso wie bei den Geoinformationen). Relevant ist vor allem das Urheberrecht und insbesondere das Datenbankschutzrecht, das sich auf Sammlungen von Wetterdaten bezieht (siehe Datenbankwerk). Es gibt allerdings auch europäische Richtlinien zur Weiterverwendung von Daten des öffentlichen Sektors (Public Sector Information, in Deutschland umgesetzt als Informationsweiterverwendungsgesetz) sowie zur Verbreitung von Umweltinformationen (in Deutschland umgesetzt als Umweltinformationsgesetz), die auf die Rechte an Wetterdaten und deren Verbreitung wirken. ⓘ

Behörden, Verbände, Firmen

Unterricht des Bordmeteorologen auf der Gorch Fock (1968) ⓘ

Deutschland

• Deutsche Meteorologische Gesellschaft
• Deutscher Wetterdienst
• Verband Deutscher Wetterdienstleister (zahlreiche private Wetterdienste)
• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Institut für Physik der Atmosphäre) ⓘ

Österreich

• Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
• Österreichische Gesellschaft für Meteorologie ⓘ

Schweiz

• MeteoSchweiz
• Schweizerische Gesellschaft für Meteorologie (SGM)
• MeteoNews
• Meteomedia ⓘ

Vereinigtes Königreich

• Royal Meteorological Society
• Met Office – Wetterdienst des Vereinigten Königreichs ⓘ

Dänemark

• Danmarks Meteorologiske Institut ⓘ

Frankreich

• Météo-France ⓘ

Norwegen

• Meteorologisk Institutt ⓘ

Schweden

• Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut ⓘ

Europa

• European Centre for Medium-Range Weather Forecasts
• EUMETSAT – European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites ⓘ

International

• World Meteorological Organization
• International Association of Broadcast Meteorology
• World Data Center for Remote Sensing of the Atmosphere
• Internationale Union für Geodäsie und Geophysik ⓘ

Listen

• Themenliste Wetter und Klima
• Liste der Abkürzungen in der Meteorologie
• Meteorologische Ausdrücke in Deutsch, Englisch, Spanisch und Französisch.
• Kategorien Meteorologie, Meteorologen und meteorologisches Messgerät
• Liste von Wetterereignissen in Europa ⓘ