Seit den 1970er Jahren haben die Meteorologen der Zukunft Tag um Tag entrissen. Damals reichte der Blick aufs Wettergeschehen gerade einmal bis zum nächsten Tag – ob der Sonntag sonnig oder trüb wird, ließ sich am Freitag noch nicht sagen. Heute können Wettersimulationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) dagegen bis zu eine Woche in die Zukunft blicken: Ob Ostern blauer Himmel herrscht oder Weihnachten weiß wird, lässt sich schon einige Tage vorher relativ sicher vorhersagen.

Möglich machen das Wettersatelliten, ein Netz aus Messstationen und vor allem Computer, die mit diesen Rohdaten und drei Wettermodellen Luftdruck, Wind, Feuchte und Wolken für Deutschland, Europa und den gesamten Erdball berechnen können. Ihre Ergebnisse nähern sich allerdings der natürlichen Grenze für die Vorhersagbarkeit des Wetters. Denn eine Prognose über mehr als zehn Tage kann nur selten funktionieren, meinen die Experten aus Offenbach: Die Atmosphäre der Erde verhält sich einfach zu chaotisch.

Sie ähnelt gewissermaßen einem Ball, der einen steinigen Hügel hinunterrollt. Er wird auf seinem Weg an mehrere Steine stoßen und immer wieder abweichen, bis er im Tal zum Stehen kommen. Ein weiteres Mal würde der Ball allerdings genau die gleiche Bahn nicht mehr rollen: Schon ein leicht veränderter Startpunkt ließe ihn zumindest in einem anderen Winkel an die Hindernisse prallen, was seinen gesamten Lauf beeinflusst. Je weiter er sich schließlich dem Tal nähert, desto mehr wird sich seine Bahn von der ersten unterscheiden, und er würde an gänzlich anderer Stelle enden.

Der Teufel im Detail

Meteorologen sind in der Situation eines Menschen, der diesen Ball ein zweites Mal rollen lassen will. Sie versuchen, den Ist-Zustand des Wetters im Computer möglichst genau nachzubilden und füttern dafür ihre Rechner mit Messwerten von Bodenstationen, Wetterballons, Verkehrsflugzeugen, auf dem Meer schwimmenden Wetterbojen, Schiffen und Satelliten. Dann schicken die Meteorologen den "Ball" auf die Reise: Der Computer simuliert den Ablauf des Wetters ausgehend von dem eingegebenen Anfangszustand und spult das virtuelle, zukünftige Wetter im Zeitraffer ab. Kein Messgerät liefert jedoch fehlerfreie Werte, weshalb der simulierte Ist-Zustand des Wetters ein wenig neben dem wirklichen liegen wird. Die Folge: Für ein paar Tage stimmt die Vorhersage des Computermodells gut mit der Wirklichkeit überein, dann weicht sie immer mehr von ihr ab.

"Mit einem dichteren Netz an Messstationen rund um den Erdball und noch leistungsfähigeren Supercomputern ließe sich der Vorhersagezeitraum um ein paar Tage ausweiten", meint dazu Hans-Richard Knoche vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU) des Forschungszentrums Karlsruhe. Doch spätestens ab dem zehnten Tag gewönne das Chaos unweigerlich die Oberhand, denn Messfehler lassen sich nicht vermeiden.

Das weiß man auch beim DWD. Daher setzen die nationalen Wettermacher andere Prioritäten: Sie haben zwar seit Herbst letzten Jahres einen neuen Supercomputer in ihrer Zentrale in Offenbach am Main, der 15-mal mehr Rechenkapazität besitzt als sein Vorgänger und der in den nächsten Monaten noch ausgebaut werden soll, damit er 2010 die 45-fache Leistungsfähigkeit erreicht. Aber: "Wir werden ihn nicht dafür nutzen, um die Wettervorhersage auf acht oder neun Tage auszudehnen", so der DWD-Pressesprecher Gerhard Lux. Vielmehr wollen die Offenbacher mit der Rechnerkraft kurzfristig auftretende Wetterphänomene wie Starkregen, Gewitter oder Orkane präziser vorhersagen als heute möglich. Solche Unwetter prophezeit der DWD bislang für Deutschland 18 Stunden im Voraus – dieses Zeitfenster wollen die Meteorologen nun genauer unter die Lupe nehmen.

Exaktes Wetter für jeden Ort

"Heute wird nur prognostiziert, ob Regen fallen wird oder nicht", sagt Lux. "Mit dem neuen Rechner werden wir sagen können, mit welcher Wahrscheinlichkeit wie viel Regen fallen wird", sagt der Meteorologe – was unter anderem wichtig sein könnte, ob Flüsse Hochwasser führen könnten oder nicht. Um das zu erreichen, lassen die Fachleute den Superrechner mehrere Wettersimulationen parallel abspulen. Die Läufe starten dabei von geringfügig unterschiedlichen Anfangszuständen, ohne dass sich die Simulationen gegenseitig beeinflussen. Wegen der chaotischen Natur des Wetters unterscheiden sich die Wege, welche die Simulationen nehmen, mehr oder weniger stark. Die Offenbacher Wetterkundler legen diese Simulationen schließlich übereinander und ermitteln einen Bereich, in dem die meisten Wege verlaufen. Dieser repräsentiert die Spanne der wahrscheinlichsten Entwicklung des Wetters.

"Diese so genannte Ensemble-Technik ist der herkömmlichen Methode überlegen", weiß Lux aus Erfahrung. Der DWD nutzt das Verfahren schon für seine europaweiten Fünftagesprognosen. "Den Orkan Kyrill haben wir fünf Tage im Voraus kommen sehen", so der DWD-Mann. Bislang war es aber nicht möglich, mehrere Simulationen des Wettermodells für Deutschland parallel laufen zu lassen. Denn dieses hat eine räumliche Auflösung von weniger als drei Kilometern und verschlingt wegen dieser Detailgenauigkeit mehr Rechenleistung als das gröbere Europa- und Weltmodell des Wetterdienstes.

Um Unwetter zu simulieren, brauchen Meteorologen aber eine möglichst hohe Ortsauflösung, da diese extremen Wetterphänomene oft nur wenige Kilometer groß sind. Der neue Supercomputer kann nun zehn derart hoch aufgelöste Wettersimulationen parallel laufen lassen; in späteren Ausbaustufen werden es mehr als 20 sein.

Was Wetterfrösche und Klimaforscher trennt – und eint

Deutlich langfristiger als ihre Meteorologenkollegen müssen die Klimatologen planen: Während die einen das unmittelbare Wettergeschehen ins Visier nehmen, versuchen die anderen herauszufinden, wie sich das Klima in den nächsten 30 oder 50 Jahren entwickeln wird. Aber auch dazu benutzen sie ähnliche Simulationsmodelle wie die Wetterfrösche.

Wie können sie aber zu sinnvollen Ergebnissen kommen, wenn das Chaos in der Atmosphäre es nicht einmal zulässt, mehr als fünf bis zehn Tage in die Zukunft zu schauen? "Das liegt daran, dass es neben dem Chaos auch ordnende Kräfte in der Atmosphäre gibt", sagt Klimaforscher Knoche. Er meint damit vor allem die Sonne, deren Gang übers Firmament sich jedes Jahr aufs neue wiederholt. Darüber hinaus sorgt die Kugelgestalt der Erde dafür, dass der Nordpol wesentlich weniger Energie abbekommt als die Tropen. Atmosphäre und Weltmeere reagieren auf die unterschiedliche Wärmezufuhr mit Winden und Meeresströmungen, welche die Wärme transportieren und dafür sorgen, dass der Temperaturunterschied zwischen Äquator und den Polargebieten trotz der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung relativ moderat bleibt.

Und weil die Sonneneinstrahlung jedes Jahr der Atmosphäre ungefähr die gleiche Energie zuführt, verteilt das Wettergeschehen jedes Jahr in etwa gleich viel Wärme über den Globus. "Bei dem Temperaturausgleich durch das Wetter komme es nicht darauf an, wann genau einzelne Hoch- oder Tiefdruckgebiete entstehen und welche Wege sie nehmen, sondern nur auf ihre Häufigkeits- und Intensitätsverteilung über einen längeren Zeitraum", so Knoche.

Er veranschaulicht das mit einem Gedankenspiel: "Angenommen es gäbe mehrere identische Erden, die im gleichen Abstand um Sonne kreisen und am ersten Tag eine fast die identische Wettersituation zeigen." Schon nach wenigen Wochen würde sich die Verteilung von Hochs und Tiefs auf den Erdbällen stark voneinander unterscheiden. "Aber nach einem längeren Zeitraum werden sich auf jeder Erde gerade so viele Hochs und Tiefs gebildet haben, wie für den Temperaturausgleich nötig sind."

Beweis erst in Jahrzehnten

"Es sind statistische Größen wie die Häufigkeit von Tiefdruckgebieten oder die mittlere Temperatur in einer Region, die aus den Ergebnissen von Klimamodellen abgeleitet und vorhergesagt werden können", erläutert der Karlsruher Forscher. Dabei sei es gleich, von welchen atmosphärischen Anfangswerten eine Simulation starte. Denn nach einigen Wochen simulierter Zeit habe der Startwert ohnehin kaum noch Einfluss auf das aktuelle Geschehen. "Viel wichtiger ist es, sich verändernde Rahmenbedingungen zu berücksichtigen", betont Knoche. Denn diese könnten die ansonsten gleichbleibenden Verhältnisse im Klimageschehen verändern, also etwa mehr Tiefdruckgebiete verursachen. So hält beispielsweise der steigende Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre einen größeren Anteil der von der Erdoberfläche abgestrahlten Energie zurück, so dass sich die Erde erwärmt und erst bei einer höheren Temperatur wieder ein Energiegleichgewicht erreicht.

Die zusätzliche Wärme muss in der Lufthülle verteilt werden, was das Klima verändert. Das Simulieren des Klimas ist also kein Startwert-, sondern ein Randwertproblem: Es ist wichtig, sich über Jahre und Jahrzehnte verändernde Einflussfaktoren des Klimas möglichst exakt in das Modell einzubauen. Nur wenn ihnen das gelingt, werden die Klimaforscher richtige Prognosen treffen. Dass ihre Modelle prinzipiell funktionieren, haben sie schon gezeigt: Sie testen diese, indem sie die Klimaentwicklung der Vergangenheit simulieren. "Solche Testläufe waren erfolgreich", sagt Knoche. Ob die Prognosen der Klimaforscher für die ferne Zukunft wirklich eintreten werden, wird sich dennoch erst in Jahrzehnten beweisen lassen.

Die Meteorologen hingegen müssen sich unmittelbar an ihren Vorhersagen messen lassen. Es bleibt abzuwarten, wie viele Menschen dem Platzregen in der Fußgängerzone ohne Schirm begegnen, weil die Wettervorhersage prophezeite: "Nur fünf Prozent Regenwahrscheinlichkeit."