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Und nun zum Wetter
Präsident des Deutschen Wetterdienstes Gerhard Adrian

Foto: © Bildkraftwerk/Bernd Lammel

Reportage

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.

Zuverlässig – aber mit Grenzen 

Numerische Wettermodelle arbeiten heute schon sehr zuverlässig. Besonders großräumige Wetterentwicklungen können sie bis zu etwa zehn Tage vorhersagen. Die numerischen Modelle stoßen jedoch nach wie vor an Grenzen. Eine ist die selbst bei COSMO-D2 noch immer zu grobe Auflösung des Gitterrasters. Die Grenzen der heutigen Wetterprognosen können wir vor allem im Sommer erleben: Plötzlich zieht ein heftiger Gewitterschauer auf und sprengt die Grillparty – leider hatte das der gestrige Wetterbericht so lokal nicht vorhergesagt, sondern nur von Gewittergefahr in der Region gesprochen. Das liegt daran, dass solche Gewitterzellen oft nur einen geringen Durchmesser haben, kurzfristig entstehen und deshalb selbst vom 2,2-Kilometer-Raster des Modells COSMO-D2 nicht gut genug prognostiziert werden. Das kleinräumige Gewitter fällt gewissermaßen „durchs Raster“. 

Auch in der Zukunft werden die numerischen Modelle – selbst, wenn sie noch viel feiner aufgelöst sind – das Wetter niemals hundertprozentig vorhersagen können. Eine fundamentale Eigenschaft der Atmosphäre verhindert das: ihr chaotisches physikalisches Innenleben. Dieses Chaos im Wetter sorgt dafür, dass schon kleinste Unsicherheiten in den Ausgangsdaten einer Wetterberechnung je nach Wetterlage zu völlig verschiedenen Vorhersagen für die nächsten Stunden oder Tage führen können. Um dieses chaotische Verhalten der Atmosphäre berücksichtigen zu können, setzt der DWD auch sogenannte Ensemble-Vorhersagesysteme ein. Dabei werden viele Vorhersagen gleichzeitig berechnet, die sich nur leicht in den Anfangs- und Randbedingungen unterscheiden. Das Ergebnis sind mehrere meist leicht unterschiedliche Vorhersagen, deren Vergleich den Vorhersagemeteorologen ermöglicht, noch besser die wahrscheinlichste Entwicklung des Wetters und außerdem die Verlässlichkeit dieser Prognose einzuschätzen.  

Trotz aller chaotischen Einflüsse: Die Wettervorhersagen sind in den vergangenen vier Jahrzehnten immer zuverlässiger geworden. Eine sechstägige Prognose hat heute die gleiche Zuverlässigkeit wie eine 24-stündige im Jahr 1968. In den kommenden Jahren werden die Meteorologen die Qualität ihrer Wetter- und Unwettervorhersagen mit immer besseren Beobachtungssystemen und verfeinerten Computermodellen noch weiter steigern können. Bei der Wetterbeobachtung werden vor allem die Weiterentwicklung der Satelliten- und Radartechnik und optimierte Auswertungsmethoden für die gewonnenen Daten zum Fortschritt beitragen. 

Der Mensch hat das letzte Wort

Am Ende der Kette aus Wetterbeobachtung und Wettersimulation steht schließlich die „operationelle Wettervorhersage“. Zuständig dafür sind die Vorhersagemeteorologen. Auf ihren Computern fließen die aufbereiteten Daten aus den verschiedenen Wetterbeobachtungssystemen und der Numerischen Wettervorhersage zusammen. Sie vergleichen die Beobachtungen mit den Computerprognosen der Vorhersagemodelle und interpretieren sie. Dabei kann die Numerische Wettervorhersage durchaus von den aktuellen Beobachtungen abweichen. Dann muss der „Meteorologe oder Berater vom Dienst“ alle verfügbaren Informationen bewerten, die Wetterlage mit seiner Kompetenz und Erfahrung neu beurteilen und sich für die optimale Vorhersage entscheiden.  

Prof. Dr. Gerhard Adrian, Präsident des Deutschen Wetterdienstes (DWD) und Präsident der Weltorganisation für Meteorologie, ist habilitierter Meteorologe und lehrt seit 1998 als Privatdozent und seit 2003 als außerplanmäßiger Professor für Meteorologie an der Universität Karlsruhe (KIT).

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