Was sind Kontrollläufe - oder wie man das Wetterchaos vorhersagbar macht

  • V. Sattler
Kontrollläufe helfen, das Chaos einigermaßen vorhersehbar zu machen © Martin Bloch
Kontrollläufe helfen, das Chaos einigermaßen vorhersehbar zu machen © Martin Bloch

Oft denkt man sich, das kann doch nicht wahr sein, jetzt stimmt die Wettervorhersage schon wieder nicht. In Zeiten, in denen Computer immer leistungsfähiger werden, sollte es doch möglich sein, eine korrekte Wettervorhersage abzugeben.

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Doch betrachtet man die verschiedenen Methoden genauer, verzeiht man den Meteorologen ihre vermeintliche Fehlprognose schnell, denn es ist gar nicht so einfach mit der Wettervorhersage. Die Vorhersagen werden unter anderem mit dem Hauptlauf und den Kontrollläufen berechnet. Diese werden durch rechenintensive Differentialgleichungen beschrieben und numerisch berechnet.

Doch worauf basieren diese numerischen Berechnungen?
Gleich vorab, ohne Computer wäre es sehr aufwändig, diese Gleichungen zu lösen. Als Beispiel versuchte der schwedische Astronom Elis Strömgren (1870-1947) numerisch durch das Dreikörperproblem (Berechnung der Planetenbahnen von Kepler und Kopernikus) die Bahn eines Planeten um zwei Sonnen mit gleicher Masse zu berechnen. Er musste dies ohne Computer durchführen und benötigte 57 Mitarbeiter, die 40 Jahre lang rechneten.

1963 veröffentlichte Edward Lorenz, der Wegbegleiter der Chaostheorie, seine Arbeit namens „Deterministische nichtperiodische Strömung“. Sie besagte, dass eine Wettervorhersage über längere Zeitabschnitte unmöglich sei.

Ein anschauliches Beispiel, um sich die Einflüsse kleinster Änderungen bei numerischen Gleichungen vorzustellen, ist die Bahnberechnung der Billardkugel.

Will man die Bahn einer Billardkugel länger als zwei Stößen berechnen, muss man die Gravitation der darumstehenden Menschen mit beachten. Je weiter die Vorhersage in die Zukunft geht, desto ungenauer wird sie.

Dies war James Crutchfield (Chaosforscher) aber noch nicht genug. Er berechnete, dass die Gravitation eines Elektrons (Masse ca. 9,1093 *10^ (-31) kg) am Ende der Milchstraße (ca. 100.000 Lichtjahre entfernt) bei einer Vorhersage von über einer Minute relevant wird.

Man sieht, es ist sehr aufwändig chaotische Systeme vorherzusagen. Theoretisch sind dynamische Prozesse beschreibbar, doch kann man das Ergebnis nicht konkret berechnen. Gründe dafür sind unter anderem die Heisenbergsche Unschärferelation (Quantenphysik) und die Rundung der Zwischenergebnisse bei Computern.

Bei einer langen und aufwändigen Wetterprognose kam Lorenz auf die Idee, die Startbedingungen bei verschieden Läufen durch Werte der vorherigen Läufe zu ersetzen und somit die Rechenzeit zu verkürzen. Doch bekam er dadurch eine komplett andere Vorhersage. Erst vermutete er ein Problem mit dem Computer, doch das Problem war, der Computer rechnete mit sechs Stellen nach dem Komma und gab nur drei aus. Die Ungenauigkeit durch die Rundung der dritten Kommastelle war genug, dass eine ganz andere Prognose zustande kam.

So, nun ein Blick auf die Funktion der Vorhersagemethoden.

Der Hauptlauf

Dieser wird mit Daten gefüttert, die alle 6 Stunden weltweit erfasst werden. Das Raster der Messungen ist kleiner, also auch genauer als das der Kontrollläufe. Die Berechnung ist daher zeitaufwendig und vor allem werden dazu Hochleistungscomputer gebraucht, damit es bei einer Vorhersage bleibt und nicht zu einer Wetternachsage wird.

Die Kontrollläufe

Es gibt verschiedene Durchgänge mit nicht ganz so vielen Daten, doch werden immer wieder die Anfangswerte minimal verändert. Erinnert man sich an die oben geschilderte Problematik, ist es klar, dass dies das Ergebnis verändert.

Ab diesem Zeitpunkt kommen die Meteorologen ins Spiel, die jetzt die verschiedenen Berechnungen der Kontrollläufe und des Hauptlaufes interpretieren und mit ihren Erfahrungen in Einklang bringen.

Die Frage ist, warum braucht man die Kontrollläufe, wenn man einen genaueren Hauptlauf hat. Sie dienen praktisch als Qualitätskontrolle des Hauptlaufes. Macht dieser gegenüber den Kontrollläufen besonders große Ausreißer, ist die Eintreffwahrscheinlichkeit des Hauptlaufes geringer oder gering einzustufen.

Je enger der Hauptlauf an den Kontrollläufen liegt, desto wahrscheinlicher ist die Wetterprognose. Bei einer Differenz von 1 bis 2 Grad spricht man von einer hohen Eintreffwahrscheinlichkeit und von 2 bis 6 Grad von einer wahrscheinlichen Entwicklung der Großwetterlage.

Der Hauptlauf ist gut in die Kontrollläufe eingebettet und diese Wetterentwicklung gilt als sehr wahrscheinlich
Wetterprognose nach dem europäischen Vorhersage-Modell: Der Hauptlauf ist gut in die Kontrollläufe eingebettet und diese Wetterentwicklung gilt als sehr wahrscheinlich
© wetterzentrale.de

Gehen die Kontrollläufe weit auseinander - was im Winter häufiger der Fall ist - wird das Ganze kniffliger. Das Spektrum kann eine Differenz von bis zu 25 Grad betragen und ab diesem Zeitpunkt ist der Erfahrungsschatz des Meteorologen gefragt, der sicherlich noch weitere Parameter hinzuziehen wird.

Der Hauptlauf (dicke grüne Linie) entfernt sich weit vom Mittelwert der Kontrollläufen. Das Spektrum weitet sich und macht die Wetterprognose unsicher
Wetterprognose nach dem europäischen Vorhersage-Modell: Der Hauptlauf (dicke grüne Linie) entfernt sich weit vom Mittelwert der Kontrollläufe. Das Spektrum weitet sich und macht die Wetterprognose unsicher
© wetterzentrale.de

Der Schmetterlingseffekt

Kommen wir zum Schluss noch zum Schmetterlingseffekt, der aus der Nichtlinearen Dynamik entstammt. Dieser beruht auf der Aussage von Lorenz, dass sich die Anzahl der Möglichkeiten der Veränderung des Wetters alle vier Tage verdoppeln, nach einem Monat das 200-Fache und nach einem Jahr sogar das 2*10^27 Fache.

Deshalb sagt man, ein Flügelschlag eines Schmetterlings kann nach einer bestimmten Zeit an einem anderen Ort einen Tornado auslösen. Der Schmetterlingseffekt ist mehr theoretischer Natur, er bringt es aber mit der Unvorhersehbarkeit der langfristigen Auswirkungen relativ gut auf den Punkt.

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Das Wetter-Jahr 2021 in Zahlen

Monat Tem­peratur Abwei­chung 1961-1990 in Grad Abwei­chung 1991-2020 in Grad Nieder­schlag
Januar 2021 +0,6 +1,1 -0,3 78 l/m² - zu nass
Februar 2021 +1,8 +1,4 +0,3 48 l/m² - leicht zu trocken
März 2021 +4,8 +1,3 +0,2 46 l/m² - zu trocken
April 2021 +6,1 -1,3 -2,9 33 l/m² - zu trocken
Mai 2021 +10,4 -1,4 -2,4 96 l/m² - zu nass
Juni 2021 +18,6 +3,6 +2,6 94 l/m² - etwas zu nass
Juli 2021 +18,4 +1,4 +0,0 103 l/m² - zu nass
August 2021 +16,5 -0,06 -1,4 102 l/m² - zu nass
September 2021 +15,2 +1,8 +1,3 36 l/m² - zu trocken
Oktober 2021 +9,65 +0,6 +0,2 46 l/m² - zu trocken
November 2021 +4,9 +0,9 +0,1 48,9 l/m² - zu trocken
Dezember 2021 +2,6 +1,8 +0,8 62 l/m² - zu trocken
Gesamtjahr 2021 +9,21 +0,92 -0,09 806 l/m² - normal
Temperaturabweichung Deutschland 24 Monate - Klimadiagramm

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