Wetter nach Maß

Erinnerten die Vorhersagen vor hundert Jahren noch eher an Wahrsagerei als an Wissenschaft, lässt sich die Wetterentwicklung inzwischen immerhin schon für mehr als acht Tage zuverlässig vorausberechnen. Mit Hilfe ausgefeilter Computermodelle wollen Meteorologen demnächst sogar Langfristprognosen für mehrere Monate herausgeben.

Der Aufwand, der in das Erstellen solcher Vorhersagen fließt, ist enorm: Ein Netz von rund 12000 Wetterstationen am Boden umspannt den Globus, dazu kommen ganze Flotten von Satelliten und Driftbojen und Geschwader von Messflugzeugen. Weltweit etwa 2000 Mal täglich starten Wetterballons in die Atmosphäre. Um dieses gewaltige Datenaufkommen zu verarbeiten sind entsprechende Rechenkapazitäten notwendig: Viele der vorderen Ränge der Top-500-Liste der Supercomputer sind von Anlagen staatlicher Wetterdienste besetzt -- an vorderster Front auf Platz 18 der IBM-Rechner der chinesischen Wetterbehörde mit seinen 3200 Power-Prozessoren. Dennoch bekalgen professionelle Wetterpropheten noch immer die Lücken im Datenmaterial: "Wenn ich beliebig viel Geld hätte, würde ich zuerst eine Flotte von Wetterschiffen auf die Meere schicken", sagt etwa Jörg Kachelmann, Geschäftsführer des Schweizer Wetterkonzerns Meteomedia.

Wenn man von der Lückenhaftigkeit der Datenlage absieht, ist ist die Wettermodellierung einfach: Die Erdathmosphäre wird in ein Gitter von Raumelementen unterteilt. Sieben Größen beschreiben den Zustand dieser Elemente: Temperatur, Dichte, Luftdruck, Feuchte und die drei Windkomponenten. Für jede dieser Größen beschreibt eine hydrodynamische Gleichung die Veränderung mit der Zeit. Während die numerischen Wettermodelle vor einigen Jahrzehnten noch mit Rastern von mehreren hundert Kilometer rechneten, sind neuere Modelle für Auflösung von wenigen Kilometern und Minuten konzipiert.

Doch das gilt nur im Prinzip. Das Problem ist multiskalig -- die physikalischen Gleichungen gelten für Prozesse, die sich schnell und auf kleinem Raum abspielen. Da es unmöglich ist alle beteiligten physikalischen Prozesse auf allen relevanten Skalen in der Modellrechnung zu berücksichtigen, werden beispielsweise Wolkenbildungen durch Parameter im Modell stark vereinfacht beschrieben. Leider sind nun aber die verwendeten hydrodynamischen Gleichungen sehr empfindlich in Bezug auf die Anfangsbedingungen und die Werte dieser Parameter. Die Chaostheorie -- der sprichwörtliche Flügelschlag des Schmetterlings, der einen Wirbelsturm auslöst -- hat in den achtziger Jahren die Grenzen der Wettervorhersage auf maximal fünf Tage vorhergesagt.

Mittlerweile rechnen die Experten jedoch mit der Statistik von Modellen, wobei beispielsweise in der "Model Output Statistics" (MOS) der statistische Zusammenhang zwischen Prognose und Modell analysiert wird. Für heutige MOS ist es Standard, die Lufttemperatur 36 Stunden im Voraus auf weniger als ein Grad Celsius genau zu treffen. Mit Hilfe der Statistik spezieller Ensemblesimulationen -- dabei rechnet man in jedem Lauf mit leicht veränderten Ausgangswerten -- lässt sich mittlerweile der wahrscheinlichste Wetterverlauf über Monate hinweg berechnen. Trotz des riesigen Technikaufgebots entscheiden jedoch letztendlich nach wie vor Erfahrung und Fachkunde menschlicher Wetterexperten über die Qualität einer Vorhersage.

Den vollständigen Fokus "Wetter nach MAß" finden Sie in der Print-Ausgabe von Technology Review. Das neue Heft ist ab dem 29. September am Kiosk zu haben. Online im Volltext verfügbare FokusTexte finden Sie hier; das Heft können Sie hier bestellen.) (wst)