Wer wissen will, ob es in den nächsten 15 Minuten regnet, schaut häufig auf das Radarbild in der Umgebung. Oft reicht ein Blick auf wenige Kilometer Umkreis. Aus der Windrichtung und -geschwindigkeit lässt sich abschätzen, wann der Niederschlag am eigenen Standort ankommt. Bei einem Sommergewitter kann dieses Verfahren aber schon unzuverlässig werden. Für eine Vorhersage über drei Tage braucht man Wetterdaten aus der ganzen Welt.
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Wie Wettermodelle in die Zukunft rechnen
Dafür werden Messungen rund um den Globus an vielen Tausend Stationen vorgenommen. Hinzu kommen riesige Datenmengen von Satelliten, Radargeräten, Bojen und Wetterballons. Trotzdem bleibt die Vorhersage schwierig. Die Abläufe in der Atmosphäre sind so komplex, dass schon kleine Veränderungen nach Stunden oder Tagen zu völlig anderen Wetterlagen führen können.
Wetter entsteht vor allem in den untersten zehn Kilometern der Atmosphäre. Computermodelle wie das Globalmodell ICON des Deutschen Wetterdienstes (externer Link) berechnen, ausgehend vom sogenannten Anfangszustand, wie sich wichtige Wettergrößen entwickeln. Dazu gehören Luftdruck, Temperatur, Feuchte und Windgeschwindigkeit.
Was Supercomputer und KI leisten können
Beim Deutschen Wetterdienst arbeiten dafür Hochleistungsrechner mit etwa 50 PetaFLOPS, also 50 Billiarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Mehrere tausend Computer-Prozessoren sind im Einsatz. Ergänzend nutzt der DWD vor allem für kurzfristige Vorhersagen das KI-Modell AICON (externer Link): Das hat aus früheren Messungen gelernt, wie sich Wetter typischerweise entwickeln wird, ohne die physikalischen Gesetze zu kennen.
Es ist sehr schnell und kann unterstützend sehr viele ähnliche Vorhersagen erzeugen, um beispielsweise abzuschätzen, ab wann die Prognosen aufgrund stark wachsender Messfehler auseinanderlaufen.
Warum Gewitter schwer vorherzusagen sind
Wettermodelle bestehen aus einem dreidimensionalen Gitter, an dessen Punkten die Vorhersagen berechnet werden. Dazwischen ist das Modell sozusagen blind. Kleinräumige Vorgänge in der Atmosphäre – wie ein Sommergewitter – fallen im wahrsten Sinne des Wortes durch die Maschen des Modellgitters. Die Modelle schätzen sie deshalb mit sehr aufwändigen Methoden aus bekannten Größen ab.
Auch viele Vorgänge am Erdboden lassen sich nur annäherungsweise berechnen, etwa Feuchte- und Wärmeflüsse. Die Sonne erwärmt Boden und Wasserflächen. Dadurch steigen Wärme und Feuchtigkeit in die Luft. Auch Pflanzen geben Wasser ab. Ein großer Laubbaum kann so mehrere hundert Liter pro Tag verdunsten. Das alles ist wichtig, um zu berechnen, wie Nebel entsteht und sich wieder auflöst. Dazu nutzen die Wettermodelle zusätzlich ein Bodenmodell.
Warum Meteorologen die Modelle nachschärfen
Außerdem arbeiten Wettermodelle mit sogenannten Randbedingungen, also Wettergrößen, die sich über Wochen oder Monate nur langsam ändern und für die Vorhersage über wenige Tage als unveränderlich angenommen werden können – wie etwa die Meeresoberflächentemperaturen oder die Meereisbedeckung. Diese Größen verändern sich nur langsam. Für eine Wettervorhersage über wenige Tage können die Modelle sie deshalb als unveränderlich vorgeben. In Klimamodellen ist das anders – diese arbeiten in Zeiträumen von mehreren Jahrzehnten.
Jedes Wettermodell ist anders, hat eigene Stärken und Schwächen. Beim Vergleich ist auch die langjährige Erfahrung der Meteorologinnen und Meteorologen wichtig. Man entwickelt ein Gefühl für die Verlässlichkeit der Modelle bei bestimmten Wetterlagen. Zum Beispiel überschätzte das amerikanische Modell GFS im Vorfeld der aktuellen Hitzewelle die Höchstwerte deutlich, da es die Vorgänge in den unteren Schichten der Atmosphäre bei dieser speziellen Wetterlage nicht so gut erfasst wie das deutsche oder das europäische Modell. Durch nachträgliche Vergleiche zwischen den Vorhersagen und den tatsächlich eingetretenen Wetterabläufen lassen sich systematische Abweichungen bei bestimmten Wetterlagen abschätzen und korrigieren.
Wetter ist chaotisch und nie vollständig berechenbar
Trotz aller Anstrengungen und weiterer technischer Fortschritte wird es nie eine hundertprozentig sichere Vorhersage für den nächsten Tag geben. Und das Wetter in zwei Wochen lässt sich kaum zuverlässig vorhersagen. Denn Wetter bleibt ein chaotisches System: Schon winzige Ungenauigkeiten im Ausgangszustand können sich mit der Zeit stark verstärken.
Wie weit eine Prognose trägt, hängt deshalb auch von der Wetterlage ab. Bei einer stabilen Hochdrucklage kann der Trend teils noch über viele Tage recht zuverlässig sein; bei schnell ziehenden Tiefs oder Gewitterlagen wachsen die Unsicherheiten dagegen oft schon nach kurzer Zeit stark an.
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