Blitze

Gewitter: Wo die Blitze niedergehen

Wanderer im Gebirge, Obstbauern oder die Betreiber von Stromnetzen: Alle möchten wissen, ob und wo genau in den nächsten Tagen mit Donner, Blitz und Hagel zu rechnen ist. Forscher um Dr. Thorsten Simon haben ein Modell entwickelt, mit dem Gewitter vorhergesagt werden können.

Egal ob Nebel oder Gewitter, das Wetter kann einem manchmal einen Strich durch die Rechnung machen: ein verspäteter Abflug, eine zerstörte Ernte oder ein versperrter Rückweg bei einer Bergtour. Seit rund acht Jahren arbeiten die Forschungsgruppen um Georg Mayr vom Institut für Atmosphären- und Kryosphärenwissenschaften und Achim Zeileis vom Institut für Statistik der Universität Innsbruck gemeinsam an der Verbesserung der Vorhersagen von Wetterphänomenen. Gemeinsam mit dem Österreichischen Verband für Elektrotechnik und mit finanzieller Unterstützung durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft haben sie nun die Möglichkeit zur Vorhersage von Gewittern erforscht.

Algorithmen machen Wetter

„Früher haben Synoptiker die Wetterkarten interpretiert und Vorhersagen getroffen, heute wird diese Aufgabe immer mehr von statistischen Algorithmen übernommen“, sagt Thorsten Simon, der seit drei Jahren an der Uni Innsbruck forscht. „Der Mensch überprüft aber die Vorhersagen in der Regel noch und hilft bei sehr seltenen Ereignissen, die der Algorithmus noch nicht richtig interpretieren kann.“ Das aktuelle Wetter wird von Satelliten, Wetterstationen oder Bojen laufend gemessen. Diese Daten fließen in die Vorhersagemodelle ein, wie zum Beispiel beim Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen. Auf Basis physikalischer Modelle werden dort zweimal täglich mittelfristige, globale Wettervorhersagen berechnet. „Für die Prognosen werden die Beobachtungsdaten mit numerischen Methoden in die Zukunft gerechnet“, erklärt Thorsten Simon. „Viele Prozesse in der Atmosphäre sind inzwischen sehr gut durch die Modelle abgebildet. Es gibt aber auch Prozesse für die das noch nicht zutrifft, wie zum Beispiel einzelne Gewitterzellen.“

Jeder Blitz wird erfasst

Das österreichische Blitzortungssystem ALDIS erfasst die Gewitteraktivität im gesamten Bundesgebiet und wird vom Österreichischen Verband für Elektrotechnik und der Austrian Power Grid AG betrieben. Die acht in Österreich installierten Sensoren sind in das gesamteuropäische Blitzortungssystem EUCLID integriert. Gemeinsam dokumentieren diese Messstationen jeden einzelnen Blitz in ganz Europa. Bei jedem Blitzeinschlag breitet sich eine elektromagnetische Welle entlang des Bodens aus. Diese wird von den in der Nähe stationierten Sensoren erfasst. Aus den unterschiedlichen Laufzeiten der Welle kann der exakte Einschlagort des Blitzes ermittelt werden. Daten an denen nicht nur Versicherungen interessiert sind, ALDIS stellt sie auch den Innsbrucker Wissenschaftlern zur Verfügung.

Mit dem Vorhersagemodell der Innsbrucker Wetterforscher können Gewitter prognostiziert werden. Prognosen für den Ostalpenraum zeigen im Vergleich zur tatsächlichen Gewittertätigkeit bei der 1-Tages-Prognose eine gute Übereinstimmung, bei längerfristigen Vorhersagen ist die unsicherheit hoch. (rot steht für eine hohe Wahrscheinlichkeit von Gewittern, grau für eine niedrige). Die Bilder zeigen die Prognose fünf Tage (links oben), drei Tage (rechts oben) und einen Tag im Voraus (links unten). Das Bild rechts unten zeigt tatsächlich beobachtete Gewitter.

Gemeinsam mit Variablen des Vorhersagemodells fütterten die Innsbrucker Wetterforscher diese Daten von Blitzmessungen in statistische Regressionsmodelle und ermitteln mit Hilfe von Selektionsverfahren jene Parameter, die für die Vorhersage von Gewittern besonders wichtig sind. „Das sind zum einen die üblichen Verdächtigen, die auch jedem Wetterprofi in den Sinn kommen, wie die Stabilität der Luftschichtung, die in der Atmosphäre verfügbare Energie oder die Vertikalgeschwindigkeit der Luftströmungen“, erzählt Thorsten Simon. „Überraschenderweise spielt aber auch die thermische Ausstrahlung des Bodens eine gewisse Rolle und wurde in unserem Modell nun berücksichtigt.“ Mit dem auf dieser Basis entwickelten, neuen Modell erstellten die Tiroler Wissenschaftler auf dem Supercomputer LEO der Universität Innsbruck Prognosen für die Gewitterwahrscheinlichkeit im gesamten Ostalpenraum. „Wir testeten Vorhersagen bis zu fünf Tage im Voraus und erzielten im Vergleich zur Beobachtung jeweils eine positive Vorhersagegüte. Das bedeutet, wird waren in jedem Fall besser als der Zufall.“ Während die mehrtätige Vorhersage noch mit Unsicherheiten verbunden bleibt, bildet die eintägige Prognose die tatsächlich beobachtete Gewittertätigkeit bereits sehr gut ab (siehe Grafik). Das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen wird ab Juli ebenfalls Gewitterwahrscheinlichkeiten aus ihrem Vorhersagemodell ableiten; eine willkommene Gelegenheit für das Innsbrucker Forschungsteam um Thorsten Simon, die eigenen Prognosen mit den Ergebnissen eines anderen Modells zu vergleichen.

Unsicherheit bleibt

In Zukunft wollen die Wissenschaftler nicht nur die Wahrscheinlichkeit von Gewittern vorhersagen, sondern auch die Blitzdichte in einem bestimmten Gebiet prognostizieren. „Wir wollen aus den Vorhersagedaten ermitteln können, wo wie viele Blitze niedergehen werden“, blickt der Wetterforscher in die Zukunft. Der Bedarf für diese Vorhersagen ist groß, vom Almbauern bis zum Kraftwerkbetreiber gibt es Interesse. „Wir hatten auch schon eine Anfrage von einem Sicherheitsbeauftragen für britische Kernkraftwerke“, erzählt der Forscher. „Dieser wollte allerdings wissen, wo genau und mit welcher Stärke ein Blitz einschlagen wird. So funktioniert unsere Vorhersage leider nicht. Wir ermitteln die Wahrscheinlichkeit für Blitzschläge in einem bestimmten Gebiet.“

Zur Person

Dr. Thorsten Simon forscht seit drei Jahren am Institut für Atmosphären- und Kryosphärenwissenschaften und am Institut für Statistik der Universität Innsbruck. Er hat an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel Physikalische Ozeanographie studiert. „Die physikalischen Prozesse in den Meeren und in der Atmosphäre sind ähnlich. Im Ozean kommt das Salz als Besonderheit hinzu, in der Atmosphäre die Feuchtigkeit“, sagt Thorsten Simon, der nach dem Studium in Kiel an das Meteorologische Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn wechselte und dort 2014 promoviert hat. 2015 kam Thorsten Simon an die Universität Innsbruck, um hier an dem Projekt zur Vorhersage von Gewittern in den Arbeitsgruppen des Meteorologen Georg Mayr und des Statistikers Achim Zeileis mitzuarbeiten.

Dieser Artikel ist in der aktuellen Ausgabe des Magazins „wissenswert“ erschienen. Eine digitale Version ist hier zu finden (PDF).


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