Das vorhergesagte Chaos

„Vorhersagen sind schwierig, besonders wenn sie die Zukunft betreffen.“ Ein Zitat, das Berühmtheiten wie Nils Bohr oder Mark Twain zugeordnet wird und vielen Meteorologen aus der Seele spricht. Prof. Mathias Rotach forscht im Bereich Dynamische Meteorologie und schildert im Forschungsmagazin der Universität Möglichkeiten und Grenzen der Wetterprognosen von heute.
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Bild: Prof. Mathias Rotach ist seit kurzem Professor am Institut für Meteorologie und Geophysik. (Foto: Friedle)

Der Versuch, verlässliche Wetterprognosen zu erstellen, geht historisch betrachtet sehr weit zurück, seit etwa hundert Jahren ziehen Meteorologen dazu wissenschaftliche Methoden heran. Wettervorhersagen werden durch mathematische Gleichungen unter Berücksichtung der physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre erstellt. „Den Wetterprognosen, wie wir sie heute kennen, liegen oft numerische Modelle zu Grunde“, erklärt Mathias Rotach vom Institut für Meteorologie und Geophysik.

Numerische Modelle

Moderne Wettervorhersagen werden mithilfe von so genannten numerischen Modellen erstellt. Dabei wird die Atmosphäre der Erde mit einem virtuellen Gitter überzogen und an jedem dieser Gitterpunkte anhand von physikalischen Grundprinzipien der zukünftige Zustand der Atmosphäre berechnet. „Um diese komplexen Rechenvorgänge bewältigen zu können, sind auch unsere Großrechner stark ausgelastet“, betont Rotach den Aufwand, den gute Wetterprognosen erforderlich machen. Das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) bedient sich eines solchen numerischen Modells und kann somit eine sehr hohe Qualität in der Prognose gewährleisten. Damit zählt es zu den besten Stationen für Wettervorhersagen der Welt.
Die Wissenschaftler berechnen durch die physikalischen Gegebenheiten an den jeweiligen Punkten in diesem Gitter, wie sich die Atmosphäre und somit das Wetter entwickeln müsste. Die Betonung liegt hier bewusst auf „müsste“, wie Rotach verdeutlicht: „Trotz physikalischer und mathematischer Berechnungsmethoden, sind wir nicht in der Lage, hundertprozentig sichere Vorhersagen zu treffen. Wir können Eintrittswahrscheinlichkeiten formulieren.“ „Schuld“ daran sind chaotische Eigenschaften, durch die sich die Atmosphäre der Erde teilweise auszeichnet.

Chaotische Eigenschaften

In den 60er Jahren erkannte der Meteorologe Edward Lorenz durch einen Zufall, dass die Atmosphäre durch das so genannte Prinzip des deterministischen Chaos bestimmt wird und erlangte damit Berühmtheit. Als Lorenz eine Wetterprognose nochmals berechnen wollte, ließ er – um Computerzeit zu sparen – die drei letzten Kommastellen seiner Daten weg. Die Abweichungen zum ursprünglichen Ergebnis waren um ein vielfaches größer als erwartet und brachten das Chaos bzw. die Chaostheorie als wichtigen Aspekt der Wettervorhersage ins Spiel. Das deterministische Chaos nach Lorenz beschreibt physikalisch beschreibbare (determinierte) Systeme, die allerdings sehr sensitiv auf die Ausgangsbedingungen sind, d.h. auf den momentanen Zustand der Atmosphäre, der als Grundlage für Vorhersagen dient.
„Wann immer wir Prognosen erstellen, versuchen wir zunächst den Ist-Zustand so genau wie möglich zu bestimmen, um daraus mögliche künftige Wettersituationen ableiten zu können“, beschreibt Rotach die Vorgehensweise. Problematisch sei hier vor allem die Tatsache, dass bereits minimale Abweichungen in Temperatur, Druck, Wind oder Feuchtigkeit völlig unterschiedliche Vorhersagen ergeben können: „Ob ein in drei Tagen erwartetes Tiefdruckgebiet mit Niederschlag über den Britischen Inseln oder über Italien zu erwarten ist, kann somit theoretisch vom sprichwörtlichen Flügelschlag eines Schmetterlings abhängen“. „Chaos“ ergibt sich somit aus dem Umstand, dass gleiche Ausgangssituationen völlig unterschiedliche Wettersituationen zur Folge haben können. „Das ist der chaotische Anteil, mit dem wir in unserer Arbeit umgehen müssen, der sie aber auch extrem spannend macht“, betont Rotach.
Der „Fehler“ des Meteorologen Lorenz vor mehr als fünfzig Jahren zeigte den nachfolgenden Generationen von Wissenschaftlern, dass Wettervorhersagen nur von Wahrscheinlichkeiten, nicht aber von Sicherheiten bestimmt sein können. Glücklicherweise entstand aber aus der Not eine Tugend, wie Rotach die Vorgehensweise erklärt, wie sie beispielsweise auch die österreichische Zentralanstalt für Meteorologie und Geophysik (ZAMG) verfolgt: „Wir machen also nicht nur eine Prognose, sondern fünfzig oder hundert aus geringfügig modifizierten Anfangszuständen, die den eventuellen Messungenauigkeiten der Beobachtungen Rechnung tragen.“ Zusätzlich zur Prognose wie „Morgen wird es in Innsbruck regnen“ könne somit auch die Wahrscheinlichkeit angegeben werden, mit der diese Prognose eintreffen wird. „Man spricht hier von einem hohen, mittleren oder tiefen Vertrauen in die Vorhersage“. Die verschiedenen Prognosen werden als Funktion der Zeit übereinander gelegt: Wenn sich alle Linien ähnlich verhalten, ist eine recht zuverlässige Vorhersage möglich, weichen sie stark voneinander ab, werden richtige Angaben schwierig bzw. ab einem gewissen Zeitpunkt unmöglich. Bestimmte Verhältnisse machen somit bereits eine Prognose für den nächsten Tag sehr unsicher, während unter günstigeren Umständen eine zuverlässige Vorhersage für bis zu eine Woche vertrauenswürdig sein kann.

Das Chaos bleibt

Auch wenn die technischen Fortschritte und Möglichkeiten im Bereich der Wettervorhersage bereits sehr weit gediehen sind, wird auch in Zukunft eine hundertprozentig sichere und genaue Vorhersage nicht umsetzbar sein. „Dieser Umstand ergibt sich allein schon aus der Eigenschaft des deterministischen Chaos“, verdeutlicht der Wissenschaftler. Auch wenn die Zukunft im meteorologischen Bereich noch wesentliche Fortschritte bringen wird, sind so detaillierte Messungen, die sozusagen die Flügelschläge der Schmetterlinge weltweit berücksichtigen könnten, unrealistisch. „Man müsste dazu so viele Messgeräte auf der ganzen Welt aufstellen, dass sich die Atmosphäre vermutlich allein dadurch wiederum verändern würde“, ist Rotach überzeugt. „Meteorologen müssen sich auch für die Zukunft damit abfinden, dass der chaotische Aspekt der Atmosphäre nicht überwunden werden kann“. Tritt in Zukunft nun also eine fehlerhafte Wetterprognose auf, sollte das Chaos in der Atmosphäre und nicht die Meteorologen dafür verantwortlich gemacht werden.

Zur Person

Mathias Rotach studierte Umweltphysik mit Schwerpunkt Atmosphärenphysik an der ETH Zürich, wo er 1991 promovierte. Ein Postdoc führte ihn ans „Risoe National Laboratory“ in Roskilde, Dänemark. In den folgenden Jahren forschte und lehrte Rotach wieder an der ETHZ und verbrachte während dieser Zeit mehrere Forschungsaufenthalte in den USA und in Frankreich. Er habilitierte sich 2001 im Fach „Grenzschichtmeteorologie“. 2003 erfolgte ein Wechsel an den nationalen Wetterdienst der Schweiz (MeteoSchweiz), und zwar als „Leiter Forschung und Entwicklung“. 2010 wurde Mathias Rotach als Professor für Dynamische Meteorologie an die Universität Innsbruck berufen. In den letzten Jahren leitete Rotach das internationale Forschungsprojekt MAP D-PHASE der WMO (World Meteorological Organization), das sich mit der probablistischen Vorhersage von Niederschlag und Abfluss im Alpenraum beschäftigt.

Dieser Beitrag ist in der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins "zukunft forschung" der Universität Innsbruck erschienen.

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