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“Und nun zum Wetter”

Und nun zum Wetter

von Gerhard Adrian, Fotos: Bernd Lammel

Hätten Sie’s gewusst? Eine sechstägige Wetterprognose hat heute die gleiche Zuverlässigkeit wie eine 24-stündige im Jahr 1968. Sagt Gerhard Adrian, und der muss es wissen, denn er ist der Präsident des Deutschen Wetterdienstes.

Das Wetter vorherzusagen, wagten Meteorologen erst sehr spät. So gab das Preußische Meteorologische Institut in Berlin bis in die 1920er-Jahre keine Wetterprognosen heraus. Es hielt sich an ein Votum Otto von Bismarcks, der sich 1883 gegen amtliche „Wetterprophezeiungen“ ausgesprochen hatte, um nicht „das Feld für böswillige Kritik und für feindliche Bearbeitung der Bevölkerung gegen die Regierung zu vergrößern“. Der wichtigste Impuls zur Entwicklung moderner Wetterprognosen kam aus der Seefahrt. Die 1872 gegründete Deutsche Seewarte sammelte Daten von Schiffen und Landstationen und gab ab 1876 täglich kommentierte Wetterberichte heraus.

Im 19. Jahrhundert gewannen die Meteorologen dann eine wichtige Einsicht: Die Daten von der Erdoberfläche reichen allein nicht aus, um das Wettergeschehen am Himmel zu erfassen. Sie mussten auch in die dritte Dimension hinauf. Als „Fluggerät“ boten sich damals bemannte Ballons und Drachen an. Die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts hat den Wetterexperten schließlich zwei neue Werkzeuge beschert: Satelliten zur lückenlosen Beobachtung des Wetters rund um den Globus und Computer, die eine immer detailliertere Berechnung der atmosphärischen Vorgänge ermöglichen.

Die Stockwerke des Himmels

Wir leben im untersten Stockwerk der Atmosphäre, der sogenannten Troposphäre. Das Wettergeschehen spielt sich praktisch komplett in der Troposphäre ab. Die Energiequelle dieser Wetterküche ist vor allem die Strahlung der Sonne. Diese Strahlung dringt im sichtbaren Teil des Spektrums fast ungefiltert bis zur Erdoberfläche durch, ­erwärmt den Boden und die obere Wasserschicht von Meeren und Seen. Was dann geschieht, kann man im Sommer auf einem asphaltierten Parkplatz beobachten: Der Boden heizt die darüber liegende Luft wie eine Herdplatte auf, sie steigt in flimmernden Schlieren hoch und transportiert dabei die Wärme in die Atmosphäre hinein. Die so umgewandelte Sonnenenergie steigt allerdings nicht nur direkt als warme Luft auf, sondern ist auch im Wasserdampf versteckt, der an der Erdoberfläche unter Nutzung der Wärme verdunstet. Dabei kann warme Luft mehr verdunstendes Wasser aufnehmen als kältere. Sie trägt so enorme Energiemengen in die Luft hinein und gibt diese in der Höhe in Form von Wärme wieder ab, wenn der Wasserdampf zu feinen Wolkentröpfchen kondensiert. Beim Verdunsten hat der Wasserdampf viel Energie aufgenommen, die er bei der Kondensation zu Tropfen wieder freisetzt. Der Antrieb für das Wetter ist also umgewandelte Sonnenenergie. Sie treibt den Wind an und den atmosphärischen Wasserkreislauf durch Verdunstung, Wolkenbildung und Niederschlag – sei es Regen, Hagel oder Schnee.

Die Welt im Visier

Für eine fundierte Wettervorhersage müssen Meteorologen die Vorgänge in der Atmosphäre rund um den Globus genau beobachten und in berechenbare Zahlen umwandeln. Dazu dienen ihnen physikalische Messgrößen. Die wichtigsten sind Luftdruck, Temperatur, Windrichtung und -geschwindigkeit sowie der Gehalt an Wasserdampf – die Feuchte. Sie werden traditionell mit Wetterstationen an Land erfasst. Um auch ein Höhenprofil der Temperatur, der Feuchte, des Winds und von 30 weiteren meteorologischen Parametern zu erhalten, werden weltweit unbemannte Wetterballone gestartet. Diese sogenannten Radiosonden steigen bis dreißig Kilometer hoch auf und funken dabei Messwerte zum Boden.

Wetterstationen an Land decken vor allem Europa und den Osten Asiens gut ab – Nord- und Südostamerika gerade noch ausreichend. Große Gebiete der Erde sind dagegen richtige Datenwüsten. Dazu zählen Teile der Kontinente der Südhalbkugel – und alle Ozeane. Um diese riesigen Beobachtungslücken wenigstens auf den Ozeanen teilweise zu schließen, sind zum Beispiel auf den Weltmeeren Handelsschiffe mit Wetterstationen an Bord unterwegs. Trotz dieser und weiterer Instrumente blieben weiße Flecken der Beobachtung. Deshalb bedeutete der Einsatz von Wettersatelliten einen enormen Fortschritt für die Wettervorhersage. Sie ermöglichen eine flächendeckende Beobachtung des Wettergeschehens rund um die Erde – insbesondere auch über den ausgedehnten Datenwüsten.

Dabei werden geostationäre und polarumlaufende Wettersatelliten eingesetzt, die sich gegenseitig ergänzen. Die geostationären Satelliten sind rund um die Erde oberhalb des Äquators verteilt und fliegen in knapp 36 000 Kilometer Höhe gerade so schnell, dass sie sich synchron zur Erdoberfläche mitdrehen. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) empfängt von mehreren geostationären Wettersatelliten Daten. Der überwiegende Teil der Erde wird auf diese Weise sehr gut erfasst. Die Erdkrümmung verhindert allerdings, dass geostationäre Wettersatelliten die Polarregionen beobachten können. Deshalb umkreisen auch sogenannte polarumlaufende Wettersatelliten in nur 800 bis 900 Kilometern Höhe die Erde, und zwar auf Bahnen, die sie bei jedem Umlauf über die Pole hinweg führen. So kann jeder dieser Satelliten die gesamte Erdoberfläche Streifen für Streifen abtasten. Während die geostationären Satelliten die Erde mit hoher zeitlicher Auflösung abtasten (bis zu alle fünf Minuten jeden Punkt im Sichtbereich), überfliegen die polarumlaufenden Satelliten einen Punkt auf der Erde nur alle zwölf Stunden. Dabei liefern sie jedoch für jeden Messpunkt hunderte von verschiedenen Messwerten. Für die Meteorologen des Deutschen Wetterdienstes ist aber noch ein weiteres Beobachtungssystem unverzichtbar: das Wetterradar. Mit seinen Daten können zum Beispiel kleine, hochreichende Gewitterzellen, die besonders häufig im Sommer entstehen und mit starkem Regen oder Hagel verbunden sind, aufgespürt und verfolgt werden.

Den Meteorologen steht heute also eine ausgefeilte Technik zur Verfügung, mit der sie den gesamten Globus nach Wettererscheinungen ausspähen können. Um die so entstehende riesige Datenmenge schnell zu verarbeiten, benötigen sie allerdings extrem leistungsstarke Computer.

Wettervorhersage aus dem ­Supercomputer

Meteorologen und auch Klimaforscher träumten schon lange davon, die physikalischen Vorgänge in der Atmosphäre mathematisch beschreiben zu können. Schon 1750 versuchte das der Göttinger Klimaforscher Tobias Mayer mit einer einfachen Wetterformel, nach der die Temperatur einer Gegend allein von deren Breitengrad abhängen sollte. Natürlich war dieses Modell viel zu simpel, denn danach hätte am fast 6 000 Meter hohen Gipfel des Kilimandscharo die gleiche Temperatur herrschen müssen wie an seinem Fuß in der heißen Steppe. Heute wissen wir, dass sich die physikalischen Vorgänge in der Atmosphäre tatsächlich mit mathematischen Gleichungen recht genau beschreiben lassen. Dazu müssen die Formeln allerdings die komplexen physikalischen Beziehungen zwischen der Lufttemperatur, dem Luftdruck, der Windgeschwindigkeit und der Feuchte an jedem Punkt der Erdatmosphäre erfassen. Daraus folgt ein ziemlich kompliziertes System mathematischer Gleichungen. Da die Lösung dieser Gleichungen einen hohen Rechenaufwand erfordert, war dies erst durch die Entwicklung immer leistungsfähigerer Computer möglich. Wenn die Meteorologen heute ein computergestütztes, numerisches Wettervorhersage-Modell entwickeln, überziehen sie das gewünschte Gebiet – oder gleich den kompletten Globus – vom Boden bis in etwa 75 Kilometer Höhe mit einem dreidimensionalen Gitternetz. Für jeden Kreuzungspunkt des Gitters stellen sie einen Satz von Näherungsformeln für die physikalischen Wettergrößen auf. In diese Gleichungen speisen sie alle in diesem Gebiet aktuell beobachteten Wetterdaten ein. Aus diesem Anfangszustand kann der Computer anschließend berechnen, wie sich die Atmosphäre – und damit natürlich auch das Wetter – Zeitschritt für Zeitschritt in die Zukunft hinein verändern wird. Die Meteorologen leiten daraus dann eine Wettervorhersage ab.

Damit das Wettermodell realitätsnahe Ergebnisse liefert, muss das Gitterraster sehr feinmaschig sein. Die Folge ist: Die Zahl der notwendigen Rechenschritte und zu verarbeitenden Daten explodiert. Deshalb wächst die Leistungsfähigkeit der „Numerischen Wettervorhersage“ stetig mit der Rechenleistung der Supercomputer. Der DWD betreibt heute eine Modellkette, die aus zwei Modellen mit unterschiedlich feinen Gitterrastern besteht. Für das Wetter auf der gesamten Erde ist das „Globalmodell“ ICON zuständig und für Deutschland das hochauflösende „Lokale Modell“ COSMO-D2. ICON überzieht den Globus mit einem Gitter aus fast gleich großen Dreiecken. Der durchschnittliche Abstand der Gitterpunkte beträgt derzeit etwa 13 Kilometer. In einem Gebiet über Europa ist das Gitternetz in ICON sogar noch verfeinert, sodass dort der durchschnittliche Abstand der Gitterpunkte etwa 6,5 Kilometer beträgt. Für Deutschland und seine Anrainerstaaten setzt der DWD das noch höher auflösende Modell COSMO-D2 mit einer Maschenweite von 2,2 Kilometer ein. So können unterschiedliche Landschaften und das lokale Wettergeschehen im Vorhersagegebiet viel genauer erfasst werden. COSMO-D2 ermöglicht damit zum Beispiel, die Entwicklung von Schauer- und Gewitterwolken zu simulieren.

Lesen Sie den kompletten Artikel in der aktuellen Ausgabe.

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