2. Daten

Dieser Arbeit liegt ein Datensatz des National Hurricane Center, Miami, Florida, zu Grunde, der alle bekannten tropischen Zyklonen im atlantischen Bassin seit 1886 enthält. Inhalt und Grenzen der Nutzbarkeit sind in Jarvinen et al. (1984) beschrieben. Jeder Eintrag enthält vier wesentliche Informationen:

• die Position (nördliche Breite und westliche Länge);
• maximale Windgeschwindigkeit (in Knoten);
• zentraler Druck (in Hektopascal);
• Datum und Uhrzeit.

Die Daten stehen weder in gleicher noch in gleichbleibender Genauigkeit zur Verfügung. Zwei Effekte spielen hierbei eine wesentliche Rolle, zum einen die im Laufe der Zeit gewachsene Dichte des Meßnetzes, zum anderen die prinzipielle Schwierigkeit, Messungen im Inneren einer tropischen Zyklone durchzuführen. Die hohen auftretenden Winde - es sind Minutenmittelwerte von über 300 km h^-1 und Böen von über 350 km h^-1 gemessen worden (Anthes, 1982) - und die damit einhergehende zerstörerische Kraft erfordern einerseits einen sehr festen Aufbau der Meßinstrumente, andererseits ist die Wahrscheinlichkeit gering, daß das Zentrum einer Zyklone solch eine feste Station überquert. Daher sind die im Datensatz angegeben maximalen Windwerte oftmals geschätzt, indem entweder aus der beobachteten Zerstörung rückgerechnet oder periphere Windmessungen in das Zyklonenzentrum interpoliert wurden. Sofern direkte Messungen möglich waren, muß die erreichte Genauigkeit kritisch überprüft werden. Bei Windbestimmungen von Schiffen aus wird der Wind anhand der beobachteten Oberflächenbeschaffenheit des Wassers geschätzt, wobei sich systematische Fehler gezeigt haben. Ebenso kommt es bei Landstationen zu den typischen Meßfehlern in der Reibungsschicht der Atmosphäre, die im Einzelfall den Faktor 2 erreichen können. Die Einführung von Satelliten zur Wetterbeobachtung und die damit verbundene Möglichkeit der Intensitätsbestimmung von tropischen Zyklonen (siehe z.B. Dvorak, 1975) brachte eine Verbesserung der Qualität mit sich, so daß die maximale Windgeschwindigkeit auf 5 Knoten gerundet angegeben wird. Landsea (1993) weist darauf hin, daß bis 1969 den stärkeren Hurrikanen (so werden die atlantischen Wirbelstürme genannt) systematisch eine um etwa 5 Knoten überhöhte Windintensität zugewiesen wurde.

Die Messung des Zentraldruckes stellt ähnliche Probleme dar wie die Bestimmung der maximalen Windgeschwindigkeit. Zwar läßt sich ein Zusammenhang zwischen diesen beiden Größen herstellen, es sind aber keine aus dem Wind abgeleiteten Drücke in den Datensatz aufgenommen worden, sondern nur gemessene Werte. Daher fehlt der Druckwert in den Daten häufig, erst ab 1975 ist die Datenreihe annähernd komplett. Die Suche nach dem Grund hierfür führt sofort auf die Meßnetzdichte und die damit verbundene Unsicherheit. Eng verknüpft ist diese Frage mit der technischen Entwicklung. Seit 1871 existiert in den Vereinigten Staaten ein Warndienst, der zunächst mit Landbeobachtungen und Schiffsaufzeichnungen arbeitete. Als Folge wurden Hurrikane fast ausschließlich in unmittelbarer Landnähe oder in der Nähe von Schiffahrtswegen gesichtet. Auf diese Weise sind sicherlich viele Stürme der Entdeckung und Registrierung entgangen. Auch kam es vor, daß ein einmal gesichteter Sturm wieder "verloren" und erst Tage später neu entdeckt wurde. Die Erfindung des drahtlosen Telegraphen im Jahre 1905 beschleunigte zwar die Weitergabe von Meldungen (insbesondere von Schiffen), löste aber nicht das Problem des lückenhaften Beobachtungsnetzes. Erst seit 1944 ist die Erkundung von Hurrikanen organisiert, indem regelmäßig Flugzeugmessungen im Inneren der Zyklonen stattfinden. Bei der Nutzung vorher aufgenommener Daten ist besonders bei Wind- und Druckwerten Vorsicht geboten. Verbesserungen in der räumlichen Abdeckung der Ozeane ergaben sich ab 1955 durch den Einsatz des Küstenradars und dann ab 1960 durch Satelliten. Weiterhin sammeln heute Bojen im Ozean Daten, die zur Erkennung von tropischen Stürmen herangezogen werden können. Alle diese Daten dienen auch zur Positionsbestimmung.

Bei dem Datensatz handelt es sich um einen sogenannten "Best Track" Datensatz, das heißt, es werden nicht die laufend gemessenen Positionen abgespeichert, sondern eine unter Einbeziehung aller Quellen geglättete Zugbahn. Diese soll die großskalige Bewegung des Sturms beschreiben, weniger die exakte Position des Zentrums an bestimmten Terminen. Kleinskalige Schwingungen, die typischerweise 5 bis 20 nautische Meilen um den mittleren Pfad schwanken, werden dabei herausgeglättet, charakteristische Bewegungen wie kleinräumige Kreisbahnen aber beibehalten. Aus der geglätteten Zugbahn, dem "best track", werden die Positionen zu den 4 synoptischen Zeiten (0000 UTC ^[3], 0600 UTC, 1200 UTC und 1800 UTC) abgelesen und gespeichert, wobei die Angabe auf ein zehntel Grad gerundet erfolgt. Diese Best Track Positionen weichen im Atlantik durchschnittlich um 20 Kilometer ^[4] bis 21 Kilometer ^[5] von den operationellen Positionen ab, die für die aktuelle Vorhersage genutzt werden. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich daraus, daß die Aufzeichnungshäufigkeit im Laufe der Zeit erhöht wurde. Vor 1931 wurden nur die Positionen um 1200 UTC gespeichert, bis 1956 nur die Positionen um 0000 UTC und 1200 UTC. Die fehlenden Zwischenwerte bis zu diesem Zeitpunkt wurden aus den vorhandenen Daten heraus interpoliert, so daß die Daten heute zwar sechs-stündig vorliegen, mit zunehmendem Alter jedoch zusätzlich ungenau werden. Insgesamt enthält der Datensatz für den Atlantik 28643 Positionen im Zeitraum 1886 bis 1996. Die geographische Verteilung dieser Positionen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die Best Track Daten dienen zum einen für statistische Untersuchungen, zum anderen zur Verifikation von Vorhersagemodellen. Der Vorhersagefehler V eines Modells wird üblicherweise als Großkreisentfernung zwischen vorhergesagter Position (X_V, Y_V) und Best Track Position (X₀, Y₀) definiert (Neumann und Pelissier, 1981b):

(1)

wobei X und Y die geographische Länge bzw. Breite sind. Weiterhin läßt sich so ein Initialisierungsfehler angeben, der, wie oben schon erwähnt, die Entfernung zwischen Best Track und operationeller Position darstellt und im Atlantik im Mittel bei etwa 20 Kilometern liegt. Wichtig bei der Modellverifikation ist, daß die zu vergleichenden Modelle identische Positionen als Eingabe haben. Häufig werden deshalb ältere Modelle, deren operationelle Vorhersagefehler man bereits kennt, mit den später gefundenen Best Track Daten erneut gerechnet, um so ein vergleichbares Ergebnis zu erlangen. In dieser Arbeit werden Versionen des Analogmodells, wie es in Kapitel 4 eingeführt wird, mit Versionen des Regressionsmodells CLIPER (siehe das Kapitel 3.3) verglichen, indem jeweils beide mit Best Track Daten gerechnet werden.

Abb. 1: Absolute Häufigkeit der im Best Track Datensatz festgehaltenen atlantischen Sturmpositionen. Die Häufigkeit bezieht sich auf Gebiete von jeweils 5° x 5°

Das ost-pazifische Bassin umfaßt alle tropischen Zyklonen der Nordhemisphäre zwischen Nordamerika und der Datumsgrenze. Auch von diesem Bassin liegt ein Best Track Datensatz vor, der ebenfalls vom National Hurricane Center, Miami, Florida, gepflegt wird. Der Datensatz enthält Sturmpositionen von 1949 bis 1996, die wie im Atlantik alle 6 Stunden aus einer nachträglich erstellten optimierten und geglätteten Zugbahn extrahiert wurden. Die Probleme und Eigenarten dieses Datensatzes, wie sie bei Brown und Leftwich (1982) geschildert werden, sind ähnlicher Natur wie die des atlantischen. Der wesentliche Unterschied liegt in der Qualität der Windmessungen, diese sind im Ost-Pazifik nahezu nicht zu verwenden. Bis 1970 existiert mit einigen Ausnahmen nur eine Einteilung in die Windstärken 25 Knoten / 45 Knoten / 75 Knoten. Der Luftdruck wird erst ab 1988 verwertbar erfaßt.

Insgesamt enthält der Datensatz 16188 Positionen aus 660 Stürmen für das Bassin, deren geographische Häufigkeitsverteilung in Abbildung 2 gezeigt wird. Aus dieser Abbildung wird bereits das typische Verhalten dieser tropischen Zyklonen deutlich. Sie entstehen westlich der amerikanischen Küste und wandern zunächst an dieser entlang nach Nordwesten, um dann entweder nach Norden/Nordosten über den Kontinent oder, häufiger, nach Westen über den Pazifik einzudrehen. Letztere streifen dann gelegentlich vor ihrem Absterben die Hawaii-Inseln. Auf eine weitere Betrachtung wird hier verzichtet.

Abb. 2: Absolute Häufigkeit der Ost-Pazifik - Sturmpositionen 1949 bis 1996, Häufigkeit über eine Fläche von jeweils 5° x 5°

[3] Universal Time Coordinated - Weltzeit. Die Angabe erfolgt grundsätzlich 4-stellig in Stunden und Minuten (jeweils 2 Ziffern).
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[4] Zeitraum 1970 - 1979, Neumann und Pelissier (1981 b)
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[5] Zeitraum 1983 - 1988, DeMaria et al. (1990)
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