Wird das Wetter gewürfelt? Die Wettervorhersage hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Substanz gewonnen.

Waren es vor 30 Jahren und davor nur die Meteorologen, die im zweidimensionalen Bereich Ihr Wissen über den Zustand der Atmosphäre zu einer Wetterprognose selbständig verfasst haben, wird heute die Wetterprognose vierdimensional dem Meteorologen als atmosphärischer Zustand und als Rechenergebnis physikalischer Gleichungen zur Interpretation vorgelegt.

Der zweidimensionale Bereich entspricht einer Fläche (Länge x Breite), der vierdimensionale Bereich umfasst die räumliche Verteilung der meteorologischen Parameter (Länge x Breite x Höhe) plus der vierten Dimension der Zeit, d.h. der Vorausberechnung des Wetters für einen bestimmten Tag oder Zeitraum. Diese modellmäßige Vorausberechnung des Wetters hängt stark von der verfügbaren Computerleistung und den zur Verfügung stehenden Eingangsdaten ab. So kann die Wettervorhersage nur noch Computerleistungen von mehr als 1 Milliarde Rechenschritte pro Sekunde akzeptieren.

Die Eingangsdaten werden laufend durch die Erschließung weiterer Satellitendaten verbessert, um die Datenarmut insbesondere über den Weltmeeren zu minimieren. Mit diesen Voraussetzungen weist die durchschnittliche Prognosengüte für die kommenden 24 Stunden einen Vorhersagegrad nahe 95% auf. Bis zum 3. Vorhersagetag wird im Durchschnitt eine Vorhersagegüte von 80% erreicht. Eine Prognosengüte bis 60% ist bis zum 8. Tag möglich. Punktgenaue Wettervorhersagen sind äußerst schwierig und prinzipiell nur im Vorhersagebereich (Nowcasting) bis 6 Stunden möglich. Darüber hinaus spricht die Prognose größere Gebiete an.

Die Frage nach einer 100%-igen Wettervorhersage muss von Vornherein verneint werden. Die Wetterzustände können nicht wie im Labor in geschlossenen Systemen simuliert werden, sondern spielen sich nur im offenen System ab, verteilt über den gesamten Globus und in allen Höhen. Um nun überhaupt eine Wettervorhersage zustande zu bringen, müssen gewisse Randbedingungen erfüllt sein, die sich möglicherweise auch auf das Ergebnis auswirken können. Wird daher das Wetter wirklich gewürfelt? Sind nicht die Berechnung folgender physikalischer Gleichungen zur Simulation des Wetters, wie die Zustandsgleichung für ideale Gase, die hydrostatische Gleichung, die Kontinuitätsgleichung, die Bewegungsgleichungen, die thermodynamische Gleichung und die Feuchte-Bilanzgleichung eine Basis für die Objektivität in der Vorhersage?

Die heutigen Aussagen über das Wetter sind augenscheinlich mit diesen Berechnungsverfahren verbessert worden und werden laufend einer Verbesserung zugeführt. Die Vorhersagemeteorologen bemühen sich, diese Verbesserungen in der Wettervorhersage auch dem Kunden weiterzugeben. Das Feedback der Abnehmer ist ausgezeichnet, auch wenn manchmal eine Prognose den Kunden nicht zufrieden stellt, da seine Erwartungshaltung anders ausgerichtet ist. Die wichtigsten Bestandteile in der Wettervorhersage sind u. a. die objektive Interpretation der physikalischen Zustände in der Atmosphäre und der richtige Transport dieser Information zum Kunden, sprich die verständlich ausformulierte informative Wetterprognose.

Wird es in Zukunft noch Schnee in Wien geben?

Von Dr. Ernest Rudel, Leiter der ZAMG Abteilung für Klimatologie

In Wien, wo seit 1775 die Lufttemperatur gemessen wird, war der Winter 2006/2007 der wärmste jemals registrierte. Das Medienechowar dementsprechend spektakulär „Der Klimawandel ist da – bald kann man Palmen an der Ringstraße pflanzen“ und ähnliches. Wie sieht ein Klimatologe solche reißerischen Schlagzeilen? Ein klares wissenschaftliches Statement ist notwendig, um solche Meldungen ins Reich der Fabeln zu verweisen – Tatsache ist, dass es im Laufe dieses Jahrhunderts noch wärmer wird: das Klima ändert sich.

Aber bedeutet dies, dass es bald in Wien im Winter keinen Schnee geben wird? Nein, natürlich nicht. Auch im 21. Jahrhundert wird es in Wien Frost, Eis, Glatteis und Schnee geben – man erinnere sich nur an den langen und kalten Winter 2005/2006. Die Häufigkeit der milden Winter wird zwar zunehmen, aber selbstverständlich wird uns auch in Zukunft Glatteis- und Schneechaos in der Stadt zu schaffen machen. Mediterrane Pflanzen müssen weiterhin im Palmenhaus überwintern.

Gerade die letzten Jahre waren unterschiedlich, wie selten zuvor – vom strengsten Winter bis zum mildesten der letzten 200 Jahre. Leider liegt auch in einem milden Winter die Ersparnis nur im Bereich ganz weniger Prozentanteile. Diese geringe Kostenreduktion, muss aber auch dazu dienen, die Katastrophenwinter auszugleichen. Als seriöser Winterdienstbetrieb sind Räummannschaften, Fahrzeuge und Geräte natürlich permanent einsatzbereit und verursachen demgemäß hohe Fixkosten.

Milde Winter stellen, wie die Statistiken zeigen, ein weit höheres Gefahrenpotential dar, bei „wenig Schnee” und „nur ein wenig rutschig” lässt die Sorgfalt der Passanten und Autofahrer wesentlich nach, naturgemäß auch bei der Auswahl des Schuhwerks.

Ein wenig mehr zum Wetter

Schön, dass es ihn gibt, den Schnee - diese weiße Pracht. Physikalisch betrachtet nicht mehr als ein Neben- und Übereinander von durchsichtigen Kristallen. Aber alles der Reihe nach: Damit sich eine Schneedecke überhaupt auf Berg und Tal legt, bedarf es Minus-Temperaturen, einer Wolke und winziger Staubteilchen in der Luft. An diesen "Kristallisationskeimen" bildet sich zunächst ein Eiskristall mit maximal 0,1mm Durchmesser. Ist der schwer genug, fällt er aus der Wolke und wächst auf dem Weg nach unten (etwa durch den in der Luft vorhandenen Wasserdampf) zu einem Schneekristall heran, der größer als ein Millimeter ist. Tun sich mehrere solcher Schneekristalle zusammen, entstehen Gebilde von fünf Millimetern bis zu zwei Zentimeter Durchmesser - die Schneeflocken. Je kälter die Luft ist, umso kleiner geraten übrigens die Flocken.

Schnee

Schnee ist die häufigste Form des festen Niederschlags, der aus feinen Eiskristallen besteht.

Kristallbildung

Schnee entsteht, wenn sich in den Wolken feinste Tröpfchen unterkühlten Wassers an Kristallisationskeimen (zum Beispiel Staubteilchen) anlagern und dort gefrieren. Dieser Prozess setzt jedoch erst bei Temperaturen unter -12°C ein, wobei Wasser in Abwesenheit von Kristallisationsansätzen bei bis zu -40°C flüssig bleiben kann. Die dabei entstehenden Eiskristalle, weniger als 0,1 mm groß, fallen durch zunehmendes Gewicht nach unten und wachsen durch den Unterschied des Dampfdrucks zwischen Eis und unterkühltem Wasser weiter an. Auch resublimiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf, geht also direkt in Eis über und trägt damit zum Kristallwachstum bei. Es bilden sich die bekannten sechseckigen Formen aus. Wegen der besonderen Struktur der Wassermoleküle sind dabei nur Winkel von 60° bzw. 120° möglich.

Die unterschiedlichen Stammformen der Schneekristalle hängen von der Temperatur ab - bei tieferen Temperaturen bilden sich Plättchen oder Prismen aus, bei höheren Temperaturen sechsarmige Dendriten (Sterne). Auch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst das Kristallwachstum.

Herrscht eine hohe Thermik, so bewegen sich die Kristalle mehrfach vertikal durch die Atmosphäre, wobei sie teilweise aufgeschmolzen werden und wieder neu kristallisieren können. Dadurch wird die Regelmäßigkeit der Kristalle durchbrochen und es bilden sich komplexe Mischformen der Grundformen aus. Sie weisen eine verblüffend hohe Formenvielfalt auf, sodass landläufig behauptet wird, es gäbe keine zwei identischen Schneekristalle. Über 6.000 verschiedene Kristallformen wurden 1962 von Bentley und Humphreys gezählt. Wenn sich Schneekristalle bilden, steigt in der Wolke auch die Temperatur, denn beim Gefrieren geben die Kristalle Wärme ab, während sie beim Verdampfen Wärme aufnehmen.

Schneeflocken

Liegt die Lufttemperatur nahe am Gefrierpunkt, so werden die einzelnen Eiskristalle durch kleine Wassertropfen miteinander verklebt und es entstehen an einen Wattebausch erinnernde Schneeflocken. Bei trockener Luft kann in kälteren Luftschichten gebildeter Schnee auch bei Temperaturen um 5 Grad noch als Schnee die Erde erreichen, da ein Teil der Flocke verdunstet und die dafür aufzubringende Energie die verbleibende Flocke kühlt. Andererseits kommt es vor, dass auch bei unter 0 Grad Regen fällt, dann als gefrierender Regen. Für diesen Effekt wird in manchen Medien der Begriff Blitzeis verwendet. Diese Komponenten hängen von Struktur und Schichtungsstabilität der oberen und unteren Luftschichten, von geografischen Einflüssen sowie Wetterelementen wie zum Beispiel Kaltlufttropfen ab. Bei tiefen Temperaturen bilden sich nur sehr kleine Flöckchen, der so genannte Schneegriesel.

Die weiße Farbe des Schnees liegt darin begründet, dass der Schnee aus Eiskristallen besteht. Jeder einzelne Kristall ist - wie Eis als solches - transparent; das Licht aller sichtbaren Wellenlängen wird an den Grenzflächen zwischen den Eiskristallen und der umgebenden Luft reflektiert und gestreut. Eine ausreichend große Ansammlung von Eiskristallen mit zufälliger Lagebeziehung zueinander führt damit insgesamt zu diffuser Reflexion; Schnee erscheint daher weiß. Ein ähnlicher Effekt ist beispielsweise auch bei Salz beim Vergleich von Pulver und größeren Kristallen zu beobachten.

Schneefall

Da Schneeflocken eine große Oberfläche und somit einen hohen Luftwiderstand haben, fallen sie mit Geschwindigkeiten von etwa 4 km/h verhältnismäßig langsam - zum Vergleich: mittelschwerer Regen fällt mit ca. 20 km/h, Hagel kann noch weitaus höhere Geschwindigkeiten erreichen. Diese Geschwindigkeit ist relativ unabhängig von der Größe der Schneeflocken, da ihre Oberfläche fast proportional zu ihrem Gewicht wächst.

Schneekristalle, wie auch alle anderen irregulär geformten Objekte, tendieren dazu, mit ihrer flachsten Seite nach unten zu fallen. Dies erscheint zunächst unlogisch, weil man ja denken würde, dass Objekte sich so orientieren müssten, dass sie sich mit dem geringsten Widerstand durch die Luft bewegen. Wenn die flache Seite der Schneeflocke exakt parallel zur Fallrichtung wäre (geringster Widerstand), würde sie auch dort bleiben. Allerdings ist es sehr wahrscheinlich, dass sie sich während ihres Falles aufgrund von kleinen Störungen (Turbulenzen) einmal zur Fallrichtung neigt. Somit erfährt die Schneeflocke aufgrund der sie umströmenden Luft ein Kräftepaar; wegen der größeren Strömungsgeschwindigkeiten an den äußeren Enden. Dieses Kräftepaar dreht dann die Schneeflocke so, dass ihre flache Seite nach unten zeigt (Ebene der größten Ausdehnung der Flocke normal zur Fallrichtung). Demselben Mechanismus folgen ein fallendes Blatt von einem Baum, ein fallengelassenes Blatt Papier, Rayleighsche Scheibe zur Messung der Schallgeschwindigkeit, etc.

Schnee- und Eisglätte auf Verkehrswegen stellt eine erhebliche Gefahr dar und führt nicht selten zu einem vollständigen Zusammenbruch des Verkehrsflusses. Straßen sind nach starken Schneefällen oft nur noch mit Hilfe von Schneeketten passierbar. Speziell ausgerüstete Winterräumdienste können mit der Schneeräumung beauftragt sein.

Industrieschnee

Als Industrieschnee bezeichnet man lokalen Schneefall, der durch Kraftwerke und andere Großanlagen verursacht wird.

Regen

Der Begriff Regen bezeichnet die am häufigsten auftretende Form flüssigen Niederschlags. Im Gegensatz zum gefrorenen Niederschlag (z.B. Hagel, Graupel oder Schnee) besteht er zum überwiegenden Teil aus Wasser, welches infolge der Schwerkraft in flüssiger Form aus Wolken auf die Erde fällt. Die Regenform wird unterschieden nach Entstehung, Dauer, Intensität, Wirkung und geografischem Vorkommen.

Gefrierender Regen

Gefrierender Regen hat seinen Namen nach der Wirkung am Boden. Er kommt in den gemäßigten Breiten und Subpolargebieten vor und kann einige Minuten bis wenige Stunden dauern. In den Tropen und Subtropen kann gefrierender Regen nur im Gebirge auftreten. Gefrierender Regen hat eine Temperatur von über 0°C, ist also nicht unterkühlt, und gefriert erst dann, wenn er auf eine wesentlich kältere Oberfläche prallt. Oftmals werden gefrierender Regen und Eisregen in einem Zusammenhang genannt, dies ist aber nicht korrekt. Das auf Fahrbahnen entstehende Glatteis hat in den gemäßigten Breiten meist gefrierenden Regen als Ursache. Gefährlich ist gefrierender Regen auch für Flugzeuge, da die Eisschicht das Flugzeug schwerer macht und das Tragflächenprofil verändert, was den Auftrieb deutlich vermindert.

Unterkühlter Regen (Eisregen)

Unterkühlter Regen (ugs.: Eisregen) besteht aus unterkühlten Regentropfen, die wesentlich kälter als 0°C, aber trotzdem noch flüssig sind. Er wird nach seiner Form und Wirkung am Boden definiert und kann am ehesten in den Subpolargebieten, im Winter auch in den gemäßigten Breiten, vorkommen.

Unterkühlte Tropfen entstehen, wenn Regentropfen durch kalte und sehr reine Luftschichten fallen und auf Grund des Mangels an Kristallisationskeimen nicht gefrieren können. Da aufgrund der wenigen vorhandenen Kristallisationskeime auch Eiskörner entstehen können, treten Eisregen und Niederschlag mit Eiskörnern oft zusammen auf. Treffen unterkühlte Tropfen auf eine Oberfläche, gefrieren sie schlagartig und bilden im Verlauf eine bis zu mehreren Zentimetern dicke, harte und klare Eisschicht. Auf Fahrbahnen führt dies wie bei gefrierendem Regen zu gefährlicher Straßenglätte, auf der selbst Autos mit Winterreifen kaum Halt finden.

Im Gegensatz zu Eis- oder gefrierendem Regen stehen bereits gefrorene Niederschläge wie Hagel, Graupel und Griesel oder Schnee. Diese entstehen bereits in den Wolken und fallen als fester Niederschlag zu Boden.

Warmer Regen

Warmer Regen ist nach seiner Wirkung am Boden (gefühlte Temperatur durch den Beobachter) definiert. Er entsteht, wenn tief liegende, warme und feuchte Luftmassen nur gering angehoben werden müssen, um ihre Sättigung zu erreichen und sich dabei fast nicht abkühlen. Dieses Phänomen kann am ehesten in den Tropen und Subtropen, in den Sommermonaten fallweise auch in gemäßigten Breiten, beobachtet werden. Warmer Regen tritt in gemäßigten Breiten meist bei Front- oder Steigungsregen auf. In den Tropen hingegen kann er sich auch unabhängig davon bilden, wenn warme, bodennahe und feuchte Luftmassen durch geringe lokale Strömungen (oder Konvektion) erneut angehoben werden.

Ein wärmeres Klima soll demzufolge mehr warmen Regen nach sich ziehen, dies begünstigt extremere Wetterereignisse. Laut einer Studie entfallen momentan rund 31 Prozent des gesamten globalen Niederschlags auf warmen Regen, in den Tropen sogar 72 Prozent.

Reif

Mit Reif bezeichnet man Eisablagerungen, die sich durch Resublimation von Wasserdampf zu Eis in der Nähe des Erdbodens und an erhabenen Gegenständen bilden.

Reif ist ein kristalliner, beinahe schneeartiger Belag und bildet sich auf wärmeabstrahlenden Flächen mit geringer Wärmeleitung, sobald der Taupunkt auf diesen Flächen unter dem Gefrierpunkt des Wassers liegt. Man unterscheidet zwischen Reif, der auf eine Abkühlung der Erdoberfläche zurückzuführen ist, dem Strahlungsreif (siehe Ausstrahlung), und Reif, der auf einer horizontalen Luftbewegung beruht, dem Advektionsreif. Strahlungsreif tritt daher besonders in Bodennähe als gleichförmiger Überzug auf, während sich Advektionsreif bei hoher Luftfeuchtigkeit eher in Form feingliedriger Kristalle an Gegenständen bildet, und zwar entgegen der Richtung, aus der der Wind kommt.

 Reif tritt auch im Inneren von Schneedecken auf. Dies kann zum einen durch Umwandlung von Schneekristallen (Verdunstung in wärmeren, Resublimation in kälteren Schneeschichten) geschehen; man spricht dann von Tiefenreif oder Schwimmschnee. Zum anderen können Schichten von Oberflächenreif von neuen Schneefällen überdeckt werden. In beiden Fällen können solche Reifschichten zu einem instabilen Schneedeckenaufbau und damit erhöhter Gefahr von Schneebrettlawinen führen.

Reif entsteht auch als Niederschlag bei Luftfrost, wenn in 2 m Höhe die feuchte Luft gefriert.

Föhn

Der Föhn oder Föhnwind ist ein warmer, trockener Fallwind, der - hangabwärts gerichtet - häufig auf der in Windrichtung gelegenen Leeseite von größeren Gebirgen auftritt. Er entsteht meist großräumig (Föhnwetterlage) und kann stetig wehen, aber auch böig sein.

Nebel

Unter Nebel versteht man in der Meteorologie einen Teil der Atmosphäre, in dem Wassertröpfchen fein verteilt sind, und der in Kontakt mit dem Boden steht, wobei die Wassertröpfchen durch Kondensation des Wassers der feuchten und gesättigten Luft entstanden sind. Fachlich gesehen ist Nebel ein Aerosol, in der meteorologischen Systematik wird er jedoch zu den Hydrometeoren gezählt.

Erst bei einer Sichtweite von weniger als einem Kilometer wird von Nebel gesprochen. Sichtweiten von einem bis etwa vier Kilometern gelten als Dunst. Einen Nebel in räumlich sehr begrenzten Gebieten bezeichnet man als Nebelbank und einen Tag, an dem mindestens einmal ein Nebel aufgetreten ist, als Nebeltag.

Nebel wie Dunst unterscheiden sich von Wolken nur durch ihren Bodenkontakt, sind jedoch ansonsten nahezu identisch mit ihnen. In ansteigendem Gelände kann daher eine Wolkenschicht in höheren Lagen zu Nebel werden. In der Luftfahrt spricht man in solchen Fällen von aufliegender Bewölkung.

Bei einer Sichtweite von 500 bis 1000 Metern spricht man von einem leichten, bei 200 bis 500 Metern von einem mäßigen und bei unter 200 Metern von einem starken Nebel. Von Laien wird dabei meistens nur eine Sichtweite von unter 300 Metern auch als Nebel wahrgenommen.