Wie simulieren und sagen Computer das Wetter voraus?

Die Wettervorhersage spielt seit Jahrhunderten eine wesentliche Rolle bei Freizeit- und Wirtschaftsaktivitäten. Es bestimmt, ob Sie ein Picknick machen können oder ob Schiffe sicher aufs Meer fahren können.

Aber die Wettervorhersage begann nicht vor 40 Jahren mit fortschrittlichen Computern. Vor Hunderten von Jahren verwendeten die Menschen eine Vielzahl manueller Methoden und Berechnungen, um das Wetter vorherzusagen, von der Beobachtung des Himmels auf verräterische Anzeichen eines Sturms bis hin zum Rückgriff auf alte Wetterberichte – und sie waren ziemlich genau.

Aber jetzt ist die Wettervorhersage vollständig digitalisiert, was die Frage aufwirft: Wie sagen Computer das Wetter vorher?

Computing vor Computern

Vor Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsgeräten wie dem Telegrafen und dem Telefon war es nahezu unmöglich, aktuelle Wetterdaten für andere Orte zu erhalten. Die Wettervorhersage war etwas, an dem gewöhnliche Menschen teilnahmen, je nachdem, was sie sehen und fühlen konnten.

Die besondere Schattierung des Himmels, die Luftfeuchtigkeit und der Luftdruck – den man in den Gelenken spüren konnte – wo alle Menschen die Wetterbedingungen des nächsten Tages vorhersagen mussten. Aber sie waren alles andere als genau, voller Aberglauben und konnten nicht weiter als ein oder zwei Tage in der Zukunft vorhersagen.

In den späten 1800er und frühen 1900er Jahren wurde die Wettervorhersage zu einer ernsteren Art der Wissenschaft. Netzwerke von Wetterdiensten konnten Wetterdaten über weite Distanzen kommunizieren und austauschen.

Wetter kommt nicht aus heiterem Himmel. Es wird von den Bedingungen der benachbarten Gebiete beeinflusst. Wenn wir die Wetterbedingungen in nahe gelegenen Städten kennen, können wir die Art des Wetters vorhersagen, das wir wahrscheinlich erleben werden.

Vor digitalen Computern trugen Meteorologen Wetterdaten manuell über Karten. Anschließend analysierten sie die Daten über einen langen Zeitraum und suchten nach Trends und Mustern. Aber schon vor den Computern hatten Meteorologen Instrumente, um atmosphärische Daten zu sammeln. Früher flogen sie zum Beispiel Wetterballons aus, um Proben aus einer höheren Atmosphäre zu entnehmen.

Die Geburt des Schmetterlingseffekts

Der Begriff "Schmetterlingseffekt" wurde erstmals in den 1960er Jahren von dem Meteorologen Edward Lorenz geprägt, obwohl andere bereits über das Thema nachgedacht hatten.

Lorenz benutzte den Begriff, um die Empfindlichkeit von Wettersystemen zu beschreiben. Bei der Neuberechnung früherer Wettervorhersagen war Lorenz nicht der einzige Meteorologe, der etwas Seltsames bemerkte. Schon die kleinste Änderung der Zahlen führte zu einer völlig anderen Wettervorhersage.

Die Zahlenveränderung war so winzig, dass er sie mit den flatternden Flügeln eines Schmetterlings auf der einen Seite der Welt verglich, der auf der anderen einen heftigen Sturm auslöste.

Computer sind nur ein Teil der Gleichung

Der Name sagt es schon: Berechnen bedeutet berechnen. "Computer" war einst ein Job, bei dem sich mathematisch versierte Leute hinsetzten und täglich Hunderte von mathematischen Problemen lösten. Stattdessen automatisieren moderne Computer den Prozess mit digitalen Maschinen.

Um möglichst nicht auf den Buttereffekt hereinzufallen, berechnen moderne Wettervorhersagemodelle Ziffern und liefern Ergebnisse mit hoher Genauigkeit. Aber auch das reicht nicht aus, um das Wetter zu schlagen.

Aktuelle Wettervorhersagemodelle können das Wetter für fünf Tage in der Zukunft mit einer Genauigkeit von 90 Prozent vorhersagen. Die Genauigkeit lässt danach deutlich nach. Sie erreicht 80 Prozent für Sieben-Tage-Vorhersagen und rund 50 Prozent für alles weitere in der Zukunft.

Wie Computer das Wetter vorhersagen

Ein Computermodell ist eine Reihe von Anweisungen, die der Computer befolgt, um eine Simulation eines realen Merkmals oder Phänomens zu erstellen. Moderne Wettervorhersagemodelle sind Software, die Wetterdaten analysiert, um die Funktion vorherzusagen. Sie funktionieren genauso, wie Computer den periodischen Anstieg und Fall des Aktienmarktes vorhersagen.

Um zu wissen, was in Zukunft passieren wird, müssen Sie wissen, was vorher passiert ist und was jetzt passiert. Die Wettervorhersage beginnt nicht mit Computern, sondern mit Daten. Meteorologen sammeln Daten mit einer Vielzahl von Instrumenten rund um den Globus gleichzeitig.

Sie verwenden Windfahnen, um die Windgeschwindigkeit zu messen, Thermometer für Temperaturen, Barometer für den Druck und Hygrometer für die Luftfeuchtigkeit.

Alle diese Daten werden dann in verschiedene Computermodelle implementiert, um sie zu analysieren und mit früheren Daten und Berechnungen zu vergleichen. Aber es gibt kein einziges Modell für die Vorhersage des Wetters. Verschiedene Modelle konzentrieren sich auf bestimmte Bereiche des Wettersystems und arbeiten mit anderen Modellen zusammen, um ein vollständiges Bild zu erstellen.

Klimamodelle

Klimamodelle sind hauptsächlich dafür verantwortlich, Veränderungen des Klimas der Erde oder einer Region vorherzusagen. Klima ist die durchschnittliche Wetterlage im Allgemeinen und nicht die Wetterbedingungen für ein oder zwei Tage.

Mesoskalige Modelle

Mesoskalige Computermodelle analysieren Gebiete in einem Maßstab von etwa 20 km. Sie analysieren nur Daten aus relativ nahen Gebieten und verwenden sie, um das lokale Wetter für die kommenden Tage vorherzusagen.

Statistische Modelle

Statistische Modelle konzentrieren sich eher auf die Datenanalyse als auf die Wettersimulation. Sie schauen sich Daten von vor Jahrzehnten an und sagen das Wetter voraus. Auch Durchschnittstemperaturen und Wetterbedingungen am selben Ort und Standort tragen zur Vorhersage bei.

Eine abgerundete Atmosphärensimulation

Die mit meteorologischen Instrumenten gesammelten Daten werden zusammen mit den verschiedenen Wettervorhersagemodellen in eine digitale Simulation der Erdatmosphäre umgesetzt. Die Zeit wird in der Simulation beschleunigt, um die ungefähren Wetterbedingungen in den kommenden Tagen auf globaler Ebene anzuzeigen.

Aber die gesamte Erdatmosphäre zu simulieren ist nicht einfach. Um häufige und genaue Vorhersagen zu erhalten, verwenden Meteorologiezentren Supercomputer anstelle von normalen.

Diese sind idealerweise in der Lage, über 14.000 Billionen Berechnungen pro Sekunde durchzuführen. Aber auch danach sind die Ergebnisse noch grob. Die Ergebnisse werden dann von einem Team hochqualifizierter Meteorologen überprüft, um sie mit einer Genauigkeit von 90 Prozent zu interpretieren und zu bestätigen – aber nie mit 100 Prozent.

Die Simulation müsste neben der Atmosphärenphysik auch die Dynamik der Erde berücksichtigen. Wissenschaftler verwenden physikalische Gleichungen, um atmosphärische Prozesse und das Zusammenspiel verschiedener Wetterbedingungen zu simulieren. Die Simulation insgesamt berücksichtigt auch die Rotation der Erde und wie sie die Wetterbedingungen um den Globus verschiebt.

Die Zukunft der Wettervorhersage

Die Wettervorhersage ging von der bloßen Vorhersage des Wetters ein paar Tage in die Zukunft zu der Vorhersage einer ganzen Schwachstelle mit hoher Genauigkeit in etwa 100 Jahren. Aber es gibt noch viel Raum für Verbesserungen.

Für bessere Vorhersagen brauchen Meteorologen drei Dinge; ein tieferes Verständnis der Erdatmosphäre, genauere und häufigere atmosphärische Daten und leistungsstarke Computer, die sie rechtzeitig analysieren und verwalten können. All dies ist in naher Zukunft in Reichweite.