Wie weit können wir in die Zukunft blicken?

Wetterbedingte Katastrophen und klimatische Extreme, darunter Überschwemmungen und Überschwemmungen von Flüssen sowie Hitzewellen und Dürren, verursachen jedes Jahr tragische Verluste an Menschenleben und verursachen Sachschäden in Milliardenhöhe.

Daher sind Wettervorhersagen und Schutzmaßnahmen enorm wichtig und werden in Zukunft noch relevanter werden. Allerdings gibt es eine natürliche Grenze der Vorhersagbarkeit des Wetters, die noch nicht erreicht ist.

„Es besteht noch großes Potenzial, die Wettervorhersagen für Regionen mittlerer Breiten weiter zu verbessern“, sagte Dr. Michael Riemer von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). „Aber es gibt auch einen Punkt, ab dem eine verlässliche Vorhersage einfach nicht mehr möglich ist.“

Riemer und seine Kollegen haben die Genauigkeit von Wettervorhersagen in Best-Case-Szenarien untersucht. Nach ihren Berechnungen dürfte eine Verlängerung des Prognosezeitraums um bis zu vier bis fünf Tage möglich sein. Die Studie ist veröffentlicht im Zeitschrift für Atmosphärenwissenschaften.

Wettervorhersagen sind zuverlässiger geworden

Das Wetter in den mittleren Breiten kann sieben bis zehn Tage im Voraus mit angemessener Genauigkeit vorhergesagt werden. Dies war nicht immer der Fall. Die Qualität der Wettervorhersagen hat sich in den letzten Jahrzehnten erheblich verbessert. Eine Vorhersage für sieben Tage ist heute genauso genau wie die für vier Tage vor 30 Jahren. Zu dieser Verbesserung haben eine bessere Rechnerleistung und die Verfügbarkeit neuer Daten beigetragen, allerdings ist die Qualität der Prognosen teilweise immer noch äußerst schlecht.

Schwächen und Mängel in den Vorhersagemethoden sind Teil des Problems, aber bestimmte Wetterbedingungen sind in einer chaotischen Atmosphäre von Natur aus schwer vorherzusagen. Ausgedehnte Sturmwirbel können beispielsweise etwa sieben Tage im Voraus erkannt werden, während der Zeitraum bei Gewittern deutlich kürzer ist. Mit zunehmendem Prognosezeitraum steigt auch die Fehlerwahrscheinlichkeit.

Entscheidende Faktoren für die Grenzen der Vorhersagbarkeit

Die Grenzen der Wettervorhersage sind seit den 1960er Jahren Gegenstand der Forschung. Anders als die Gezeiten und die Umlaufbahn der Planeten hat das atmosphärische System eine intrinsische Grenze, die eine natürliche und endgültige Grenze darstellt, jenseits derer keine Vorhersage mehr möglich ist. „Die Forschung kommt immer wieder zu den gleichen Ergebnissen: Wir können das Wetter bestenfalls bis zu 14 Tage im Voraus vorhersagen“, sagt Dr. Michael Riemer, Meteorologe am Institut für Physik der Atmosphäre der JGU.

In Zusammenarbeit mit seinen Kollegen Dr. Tobias Selz und Professor George Craig von der LMU München hat Riemer die Existenz der intrinsischen Grenze der Vorhersagbarkeit bestätigt. Die Forscher untersuchten auch die dafür verantwortlichen Prozesse. „Die Vorhersagen werden derzeit am stärksten von Fehlern in unseren Ausgangsbedingungen beeinflusst“, fügte Riemer hinzu. „Wenn wir diese Ausgangsbedingungen verbessern, von denen aus unsere Computermodelle ihre Vorhersagen starten, dann werden unsere Vorhersagen auch genauer.“

Der Schmetterlingseffekt in der Wettervorhersage

Mithilfe quantitativer Schätzungen zeigte das Team, dass es notwendig ist, großräumige Faktoren wie Wind, Winddruck, Temperatur und den Jetstream genauer zu berücksichtigen. „Wir müssen die anfängliche Unsicherheit um 80 bis 90 Prozent reduzieren, um die systemimmanente Grenze zu erreichen“, sagte Riemer. Dadurch könnte sich der Zeitraum verlässlicher Prognosen um weitere vier bis fünf Tage verlängern.

Sobald diese 90-prozentige Fehlerreduktion ausgeschöpft ist, werden sich die beteiligten Mechanismen ändern und die großräumigen Faktoren werden nicht mehr entscheidend sein. Ab diesem Zeitpunkt wird der Schmetterlingseffekt das Geschehen dominieren. „Dann werden Gewitter als Haupttreiber des Schmetterlingseffekts ins Spiel kommen.“ Allerdings ist dieser Effekt so gering, dass selbst ein schweres Gewitter die Zuverlässigkeit einer tagesaktuellen Wettervorhersage für die nächsten Tage nicht beeinträchtigen würde.

Präzisere Wettervorhersagen erfordern einen verstärkten Einsatz von Ressourcen für die Beobachtung der Atmosphäre

Der US-Meteorologe Edward Lorenz prägte in den 1970er Jahren den Begriff „Schmetterlingseffekt“, um zu beschreiben, wie kleine Änderungen in den Anfangsbedingungen eines komplexen Systems, etwa der Atmosphäre, zu erheblichen Unterschieden in einem späteren Zustand führen können, was die Vorhersagbarkeit solcher Systeme einschränkt. Auch Störungen, die zu klein sind, um gleich zu Beginn erkannt zu werden, können zu Schneeballeffekten führen und nach einer gewissen Zeit zu erheblichen Wetterveränderungen führen.

„Die einzelnen Gewitterzellen in unserer Studie sind wie diese Schmetterlinge“, fügte Riemer hinzu. „Um unsere Vorhersagen zu verbessern, müssen wir uns auf die wesentlichen Einflussfaktoren konzentrieren.“ Der Wissenschaftler empfiehlt, die Beobachtungen und Messungen der Atmosphäre zu intensivieren, möglicherweise mit Hilfe von Satelliten. Das Potenzial der Wettervorhersage ist noch nicht ausgeschöpft und könnte in den kommenden Jahrzehnten deutlich verbessert werden.