Heute können die Meteorologen das Wetter sieben bis zehn Tage im Voraus relativ gut vorhersagen. Dies bringt der Gesellschaft nicht nur jährliche Einsparungen von mehreren Milliarden Euro ein, sondern schützt vor allem das Leben zahlreicher Menschen. Und dennoch kommt es immer wieder zu Fehlvorhersagen. Dies geschah zum Beispiel an Weihnachten 1999, als der Orkan Lothar von einigen Wetterzentren nicht richtig vorhergesagt wurde. Die Ursachen für falsche Vorhersagen liegen in der Regel in fehlerhaften meteorologischen Daten oder in Mängeln bei den verwendeten Vorhersagemethoden. In einem chaotischen System wie der Atmosphäre gibt es jedoch auch eine grundlegende Grenze der Vorhersagbarkeit, jenseits der eine detaillierte Wetterprognose praktisch unmöglich ist. Die große Herausforderung ist heute daher, die Grenzen der Vorhersagbarkeit zu erkennen und die besten Prognosen aufzustellen, die unter diesen Bedingungen gerade noch möglich sind. Mit dieser Aufgabe befasst sich der transregionale Sonderforschungsbereich "Wellen, Wolken, Wetter" (TRR165), der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) genehmigt wurde.

Wolkensysteme über dem Nordatlantik am 27. Mai 2013, kurz bevor es zwischen dem 31. Mai und dem 3. Juni zu einer anhaltenden Regenperiode und Überflutungen in Mitteleuropa kam.
Foto: © Courtesy of NASA Worldview

"Wir wollen mit diesem in Deutschland einmaligen Kooperationsprojekt herausfinden, in welchen Situationen die fundamentale Grenze der Vorhersagbarkeit erreicht wird und wo eine Verbesserung der Methoden noch eine Verbesserung der Vorhersage bringt", erklärt Univ.-Prof. Dr. Volkmar Wirth von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Außer der JGU sind an dem auf zunächst vier Jahre angelegten Sonderforschungsbereich die Ludwig-Maximilians-Universität München als Sprecherhochschule, das Karlsruher Institut für Technologie, die Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, die Technische Universität München und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt.

Um die physikalischen Vorgänge und Wechselwirkungen beispielsweise bei der Entstehung von Wirbelstürmen oder Hitzewellen besser zu verstehen, werden die Wissenschaftler in dem Projekt u.a. Ensemblevorhersagen analysieren. Dabei handelt es sich um mehrere Dutzend Vorhersagen zu einer gegebenen Wettersituation, die von leicht unterschiedlichen Anfangszuständen aus starten. Weichen die Ergebnisse der verschiedenen Vorhersagen stark voneinander ab, spricht man von einer "nicht sicheren" Vorhersage. "Diese Ensemblevorhersagen erlauben es, die Qualität der Wettervorhersage zu erkennen, und sind für uns ein gutes Mittel, um die Vorhersagbarkeit zu untersuchen", so der Atmosphärenphysiker Wirth.

An dem Projekt arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Atmosphärendynamik, Wolkenphysik, Statistik, numerischen Modellierung und Visualisierung zusammen. Die Mainzer Partner werden dabei vor allem ihre Expertise in der dynamischen Meteorologie und der Wolkenphysik einbringen, aber auch die Bereiche numerische Mathematik und Visualisierung mit einbeziehen. "Wir hoffen, dass wir neue wissenschaftliche Erkenntnisse gewinnen, um die jetzigen Defizite der Vorhersagemodelle zu verstehen. Damit wollen wir den Weg für neue Modelle und Methoden ebnen, welche eine Vorhersage bis zur Grenze der Vorhersagbarkeit ermöglichen", sagt Volkmar Wirth.