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Unsere Atmosphäre als chaotisches System
Wettermodelle können die Entwicklung unserer Lufthülle, der Atmosphäre, über kurze Zeit relativ gut wiedergeben. Nach einer gewissen Zeitspanne werden die Wettermodelle aber unbrauchbar. Dies hat verschiedene Ursachen.
Ein Grund ist das lückenhafte Messnetz. Um das zukünftige Wetter zu berechnen, brauchen Wettermodelle Messdaten. Je genauer, desto besser. Ideal wäre ein Messnetz, welches den Zustand unserer Lufthülle an jedem Punkt auf der Erdoberfläche über die ganze Höhe misst. Auch wenn sich das Messnetz laufend verdichtet, die meteorologischen Informationen werden immer lückenhaft sein. Wenn man dem Wettermodell ungenaue Informationen übergibt, wird auch die Berechnung ungenau.
Ein weiterer Grund sind die Wettermodelle selber. Die Modelle verbessern sich zwar ständig. Trotzdem ist es aber nicht möglich die Prozesse in unserer Atmosphäre exakt mathematisch zu berechnen. Die Vorgänge sind so komplex, dass man sie nur annähern kann. Die Wetterberechnungen werden auch in Zukunft nie exakt sein.
Machen wir eine illusorische Annahme: Uns steht ein detailliertes Messnetz und ein fehlerfreies Wettermodell zur Verfügung. Dennoch wird es nicht möglich sein das Wetter für mehr als zwei Wochen vorherzusagen. Edward Lorenz beschrieb dieses Phänomen bereits im Jahre 1972 als Schmetterlingseffekt. In seinem Artikel stellte er die Frage in den Raum, ob ein Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien, einen Tornado über Texas auslösen könne. Er beschreibt unsere Atmosphäre als chaotisches System. Ändert man in der Atmosphäre nur ein winziges Detail, wie ein Flügelschlag eines Schmetterlings, könnte das Verhalten von grösseren Gebilden, wie Hoch- und Tiefdruckgebieten, komplett ändern. Unsere Atmosphäre ist ständigen Veränderungen unterworfen. Diese Veränderungen sind nicht alle fass- oder messbar. Daher werden Wetterprognosen nach einer gewissen Zeit unbrauchbar.
Ensemble Vorhersagen
Je nach Wetterlage sind Wetterprognosen bis zu etwa einer Woche verlässlich. Hochdrucklagen sind einfacher zu prognostizieren und bergen weniger Überraschungen als wechselhafte Südwestlagen oder Fronten. Spätestens nach zwei Wochen werden aber die Berechnungen von Wettermodellen unbrauchbar.
Bei der Erstellung von Wetterprognosen stehen einem Meteorologen zwei verschiedene Arten von Wettermodellen zur Verfügung. Bei den klassischen Prognosekarten rechnet ein Wettermodell mit einem Satz von Messdaten. Als Resultat wird pro Punkt auf der Erdoberfläche ein zukünftiger Wert dargestellt. Das nachstehende Bild zeigt das Beispiel einer Temperaturvorhersage auf 850 Hektopascal, rund 1500 Metern. Das Modell des europäischen Wetterdienstes berechnet für Samstag auf einer Höhe von 1500 Metern über Zürich eine Temperatur von rund 4 Grad. Aus diesem einfachen Bild erhält der Meteorologe aber keinen Hinweis auf mögliche Unsicherheiten.
Mögliche Unsicherheiten liest ein Meteorologe aus sogenannten Ensemble Vorhersagen. Pro Punkt auf der Erdoberfläche werden mehrere Wetterberechnungen gemacht. Pro Berechnung ändert man die Anfangsbedingungen ein wenig. Man ändert also die Messwerte ein kleines Bisschen bevor das Modell rechnet. So wird zum Beispiel mit etwas höheren oder etwas tieferen Temperaturen gerechnet. Man versucht mögliche Messfehler oder Messungenauigkeiten auszumerzen. Das Resultat sind mehrere Vorhersagen pro Ort. Das Beispiel zeigt mögliche Temperaturen auf 850 Hektopascal für Zürich für die kommenden 14 Tage.
Für die ersten drei bis fünf Tage sind sich die verschiedenen Modellberechnungen noch einig. Am Samstag 1. Februar liegt die Temperatur nicht wie oben erwähnt bei 4 Grad, sondern zwischen 2 und 5.5 Grad. Bereits nach den ersten fünf Tagen geht die Bandbreite der Modellberechnungen aber immer weiter auseinander. Der Unterschied zwischen rot und blau wird immer grösser. Am Dienstag 11. Februar liegt die Temperatur zwischen -3 und +12 Grad auf 850 hPa. Ein seriöse Vorhersage ist also kaum möglich.