Durezieh und abeloo

Gewitterprognosen bereiten Meteorologen noch immer Probleme. Der Grund liegt nicht nur im komplexen Aufbau und in der Physik der Gewitter. Mit ihrer Kleinräumigkeit und Dynamik entziehen sie sich häufig den heutigen Wettermodellen.

Sie kennen es aus den sommerlichen Wetterprognosen im Radio oder Fernsehen. Nebst vielen, mitunter sehr detaillierten regionalen Angaben über Besonnung, Bewölkung, Temperaturen oder Wind für den kommenden Tag, heisst es oftmals noch relativ sybillinisch: «…und am Abend gibt es lokal teils kräftige Gewitter mit Starkregen und Hagelgefahr.» Wo dieses «lokal» zu finden ist und ob auch Sie sich fürchten müssen, wird aber meist nicht näher erläutert.

Sie kennen es auch aus den Orte-Prognosen in den Apps und im Internet. Da finden sich punktgenaue und scheinbar sehr verbindliche Wettervorhersagen für jeden noch so kleinen Ort und für alle drei Stunden bis zu einer Woche im Voraus. Inklusive zeitexakten Gewitterprognosen. Sind wir aber ehrlich: Wird beispielsweise für 20.00 Uhr ein Gewittersymbol an Ihrem Ort gezeigt, dann mag es im Laufe des Abends vielleicht durchaus mal gewittern. Aber vermutlich kaum exakt um 20.00 Uhr. Manchmal bleibt es trotz Gewitterprognose sogar ganz trocken - oder umgekehrt. Tatsächlich verhalten sich Gewitter wie ein Sack Flöhe. Mal sind sie hier, mal sind sie dort. Richtig greifbar aber sind sie selten. Und so werden wir von ihnen immer wieder überrascht.

Selbst unmittelbar vor der explosionsartigen Entwicklung einer mittelgrossen Quellwolke zu einem gefährlichen Cumulonimbus ist vielfach noch unklar, ob die Antriebsenergie in dieser Wolke für die Bildung von Hagel und Starkregen reicht, ob gewarnt werden muss – und wo genau. Vielleicht ist es dann schon zu spät für eine nützliche Warnung. Wo aber liegt das Problem bei den Gewittern, wenn doch das «andere» normale Wetter derart präzise vorhergesagt werden kann? Wetter ist doch Wetter?

Wetter ist molekular

Den gedanklichen Grundstein für die moderne Wettervorhersage stammt vom Mathematiker, Physiker, Astronom (und Philosoph) Pierre-Simon Laplace aus dem 18. Jahrhundert. Würde man, so sinngemäss die Überlegungen von Laplace, den aktuellen Zustand jedes einzelnen Moleküls im System kennen und hätte man zudem Kenntnis über das Verhalten der Moleküle untereinander und über ihre Bewegung, dann könnte man den Zustand dieses Systems für jeden beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft berechnen. Dieser Denkansatz umfasst selbstverständlich das gesamte Wetter – inklusive Gewitter. Den aktuellen Zustand des Wetters vermisst man heutzutage mit High-Tech-Satelliten und anderen ausgeklügelten Sensoren. Um das Verhalten der Luft zu verstehen und vorherzusagen, entwickelten die Mathematiker und Physiker Wettermodelle. Hochleistungscomputer übernehmen die Berechnung des künftigen Wetter für einen beinahe beliebigen Zeitpunkt.

Ein antikes Bild zeigt den gedanklichen Pionier der Prognostik.

Bildlegende: Pierre-Simone Laplace (1749-1827) Vordenker der modernen Prognostik. Wikipedia

Die praktische Umsetzung der Forderung von Laplace hat seine Zeit gebraucht. Nur dank der weltweiten Zusammenarbeit von hochspezialisierten Technikern, Physikern, Mathematikern und Wissenschaftlern aus unzähligen verschiedenen Disziplinen wurde es überhaupt möglich, das Wetter in genügend feiner Auflösung zu vermessen und die richtigen Technologien für dessen Berechnung zu entwickeln. Die Meteorologen stehen quasi am Ende dieser Kette und haben die Aufgabe, die Berechnungen einzuordnen und zu interpretieren, weiter zu verfeinern und das Ergebnis letztendlich so aufzubereiten, dass die Kunden und die Öffentlichkeit die Informationen auch verstehen und nutzen können. Dazu gehören auch zuverlässige Gewittervorhersagen – im Prinzip.

Verschiede Wetterkarten zeigen den Zustand der Luft für den heutigen Sonntag. Ob die Karten wohl richtig liegen?

Bildlegende: Hat es irgendwo Gewitter? Ergebnis des europäischen Wettermodells ECMWF: Vorhersage von Mittwoch für heute Sonntag. SRF Meteo

Die grosse Herausforderung von Gewittern liegt in ihrer Kurzlebigkeit und auch darin, dass sie in ihrer frühen Entwicklungsphase als kleine isolierte Quellwolke buchstäblich durch die Modell-Maschen fallen. Das System Erde-Atmosphäre kann vom Computer selbst heute (noch) nicht allumfassend bis hinunter zum einzelnen Luftmolekül behandelt werden. Die moderne Satellitentechnologie erlaubt zwar eine Messgenauigkeit, von der Laplace nur träumen konnte. Trotzdem sind die Messungen noch lange nicht exakt genug, um jede einzelne Quellwolke und jeden noch so kleinen Luftwirbel erfassen zu können. Trotz Hochleistungscomputern lässt sich das Wetter nicht gewittergenau berechnen.

Das Fangnetz des Wetters

Eine exakte Prognose verlangt die möglichst exakte Nachbildung aller physikalischen Prozesse im System Erde-Atmosphäre. Diese sollten vom Computer umfassend und möglichst realitätsnah berechnet werden können. Doch sind das System und die Natur viel zu komplex, als dass man sie mittels Mathematik 1:1 exakt kopieren könnte. Mit Hilfe eines dreidimensionalen Gitternetzes versucht man das System daher zumindest näherungsweise abzubilden. Dieses Gitter stülpt der Computer für die Zuordnung der Wetterdaten und für die Wetterberechnung virtuell über den gesamten Globus und in den gesamten Raum von der Erdoberfläche bis hinauf in die obersten Atmosphärenschichten. Berechnet wird das Wetter aber lediglich an den Knotenpunkten dieses Gitters. Globale Wettermodelle verfügen rund eine halbe Million derartige Knoten. Die Knoten befinden sich im Abstand von einigen Kilometern oder sogar noch weiter voneinander weg. Dazwischen gibt es viel Raum für – nichts! Die würfelförmigen Räume zwischen all diesen Knoten sind für die Modelle demzufolge «blinde Flecken». Hier gibt es im Grunde kein Wetter. Zwar versucht man diese «Wetter-Lücken» mit Hilfe von mathematischen Tricks zu stopfen und die Leerräume mit zusätzlichen Daten und Informationen zu füllen. Dies ist allerdings nur näherungsweise erfolgreich.

Ein dreidimensionales Gitter umspannt den Globus. Es versucht zu verdeutlichen, an welchen Punkten das Wetter berechnet wird.

Bildlegende: Gitternetz eines globalen Wettermodells Die Abstände zwischen den Gitterpunkten sind zu gross, lokale Gewitter schlüpfen durch die Maschen. Japan Meteorological Agency

Hinzu kommt, dass globale Wettermodelle stets in fixen Zeitabständen mit neuen aktuellen Daten gefüttert und neu berechnet werden. Dies geschieht üblicherweise alle drei bis sechs Stunden. Innerhalb dieser Zeit aber können Gewitter entstehen und wieder vergehen, ohne dass ein Modell dies bemerkt.

Die Modelle sind (zu) locker gestrickt

Es sind also diese grossen räumlichen und zeitlichen Lücken von globalen Wettermodellen, die es den Gewittern erlauben oftmals unbemerkt durch die Maschen zu schlüpfen. Will heissen: Die Modelle können Ort und Zeit eines Gewitters weder richtig einbauen noch detailliert vorherberechnen. Aus den grundsätzlichen Berechnungen können die Meteorologen zwar ableiten, dass es heftige Gewitter geben kann. Doch wo und wann sie ihre gefährliche Fracht letztendlich abladen, ist aus den Modellen leider nicht zu entnehmen.

Die Zukunft wird engmaschiger

Der Traum von Laplace ist aber noch lange nicht zu Ende geträumt: Die Computer werden immer leistungsfähiger und die Modelle immer besser. War die Maschenweite der gängigen Wettermodelle vor rund 30 Jahren noch bei mehreren zehn Kilometern, so verfügt SRF Meteo seit 2015 über ein feinmaschiges Wettermodell mit einer Auflösung von 1x1 Kilometer! Normale Quellwolken und kleinere Gewitter schlüpfen zwar selbst noch durch diese engen Maschen, aber der Trend geht weiter zu immer feineren Gitternetzen. Parallel dazu werden neuartige Sensoren entwickelt, die auch eine weitaus genauere Erfassung des aktuellen Ist-Zustandes des Systems Erde-Atmosphäre ermöglichen.

In einigen Jahren dürften die Maschen der Wettermodelle derart eng werden, dass sie auch normale Gewitter korrekt simulieren und vorhersagen können. Noch müssen wir uns etwas gedulden – doch in absehbarer Zeit könnte es am Morgen früh im Wetterbericht heissen: «… und abends um 22.35 Uhr muss in Chur mit Hochwasser durch heftigen Gewitterregen gerechnet werden!»