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Meteorologen "Und nun die Wettervorhersage für morgen ..."

Meteorologen sind uns vor allem durch die Wetterberichte und Prognosen im Fernsehen bekannt. Aber dieser Job ist nur wenigen vorbehalten. Die meisten Experten beschäftigen sich damit, das komplexe System Wetter aufzuschlüsseln.

Von: Anja Bühling

Stand: 23.08.2018

BR-Meteorologe Michael Sachweh bei der Arbeit | Bild: BR / Christina Claus

"Die Untersuchung der überiridischen Dinge oder Himmelskörper", so die Übersetzung des griechischen meteorologia, deutet es an: Es geht hier um komplexe Zusammenhänge! Die meisten Meteorologen sammeln unzählige Klima- und Wetterdaten. Mit Hochleistungsrechnern und Simulationsprogrammen versuchen sie den Geheimnissen des Wetters auf die Spur zu kommen. Denn: Das Wetter ist ein chaotisches System, das die Meteorologen zu verstehen und deuten suchen.

Chaosforschung

Die Chaosforschung ist ein Teilgebiet der Physik und Mathematik und befasst sich mit der Ordnung in dynamischen Systemen. Als dynamisches System versteht man das mathematische Modell eines Prozesses, dessen Verlauf ganz entscheidend vom Anfangszustand abhängt und den man nicht langfristig vorhersehen kann. Solch ein nichtlinearer, unvorhersehbarer Vorgang ist auch das Wetter.

Mannheim machte den Anfang

Begonnen hat die systematische Meteorologie in Deutschland 1780. Damals gründete Kurfürst Karl Theodor in Mannheim die "Mannheimer Meteorologische Gesellschaft", die eine Pioniertat vollbringt: Sie führt Wetterbeobachtungen rund um den Globus durch und veröffentlicht sie. Das Wichtige dabei: Alle Messstellen waren mit den gleichen Instrumenten wie Thermometer, Barometer, Hygrometer, Wind- und Elektrometer ausgestattet und damit auch vergleichbar.

Das Problem damals: Die Daten mussten mit reitenden Boten zusammengetragen werden, was Wochen dauerte. Durch die Erfindung des Morse-Apparats konnten dann die unterschiedlichen Wettermessungen schneller zentral gesammelt und ausgewertet werden – so wurde die erste Wettervorhersage überhaupt möglich. Heute sammeln tausende von Messstellen die Wetterdaten weltweit und tauschen sie direkt über Computer aus. Dabei arbeiten die meisten Messstationen mittlerweile vollautomatisch. So ist heutzutage eine 6-Tage-Prognose genauso zuverlässig wie eine 24-Stunden-Vorhersage im Jahr 1968.

Wettersatelliten und Regenradar

Wichtig für die Qualität der Wettervorhersagen sind die Satelliten, die Daten aus Regionen erfassen, in denen es kaum Messstationen gibt. Sie messen die reflektierte Sonnenstrahlung und liefern so Informationen über die Atmosphäre, über Land- und Meeresoberflächen. Diese Daten werden noch mit dem "Wetterradar" kombiniert. Das sind siebzehn Standorte in Deutschland, die messen, was sich zwölf Kilometer über unseren Köpfen abspielt. So erkennen die Meteorologen, wo sich Regengebiete aufbauen und ob sie zum Beispiel Hagel mit sich bringen.

Langfristige Wetterprognosen noch schwierig

Wolkenfront über Franken

Langfristige Wettervorhersagen sind jedoch noch immer nur bedingt zuverlässig, weil die Meteorologen nur eingeschränkt wissen, wie der Ausgangszustand war. Außerdem ist das Wetter an sich von so vielen Faktoren, Einflüssen und Zufallsprozessen abhängig, dass es langfristig kaum zu prognostizieren ist. Je nach Wetterlage, ob stabil oder nicht, können Wettervorhersagen nur über einen Tag oder sogar eine ganze Woche möglich sein. Doch die Versuche längerfristige Prognosen abzugeben, laufen.

Besser Fünf- bis Sieben-Tage-Prognose durch Aeolus

Zuverlässigere Daten erhoffen sich die Meteorologen durch den Windsatelliten Aeolus der Europäischen Weltraumbehörde ESA, der im August 2018 ins All gebracht wurde: In einer Höhe von 30 Kilometern über dem Boden misst er erstmalig die Windgeschwindigkeit rund um den Globus und sammelt Daten vor allem auch zum Jetstream. "Wir erwarten, dass die Messungen von Aelous die Modelle der Winddynamik der Erdatmosphäre deutlich voranbringen", so die ESA-Wissenschaftlerin Anne Grete Straume.

"Derzeit gibt es fast eine Millionen Wind-Messungen innerhalb von 24 Stunden. Mit Aeolus kommen etwa acht Prozent dazu." Voraussichtlich innerhalb des ersten Jahres nach dem Start von Aeolus werden europäische Wetterdienste wie der Deutsche Wetterdienst (DWD) in Offenbach die Daten in ihren Vorhersage-Modellen berücksichtigen können, wie Straume sagt. Die Fachwelt erwarte, dass vor allem die Fünf-bis-Sieben-Tage-Vorhersage damit «signifikant besser» werde.

German Climate Forecast System - Jahreszeitenvorhersagen

Seit einigen Jahren läuft ein Projekt des deutschen Klima-Konsortiums zur globalen Jahreszeitenvorhersage. Die Prognosen berechnen Wahrscheinlichkeiten, ob das kommende Vierteljahr wärmer, kälter, trockener oder feuchter wird als im langjährigen Schnitt üblich. Grundlage für die Berechnungen ist ein sehr komplexes Prognosemodell, das unter anderem den Zustand der höheren Atmosphärenschichten, des Bodens und der Ozeane berücksichtigt.

An dem Projekt beteiligt sind Forscher der Universität Hamburg (CEN), des Hamburger Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPIM) sowie des Deutschen Wetterdiensts (DWD).
Seit 13. Oktober 2016 sind diese Jahreszeitenvorhersagen öffentlich online abrufbar.

Besonders schwierig: Prognose von Gewittern

Bisher können Meteorologen bis zu 90 Minuten vor einem Gewitter relativ genau sagen, wo das Unwetter heruntergeht. Denn Gewitter entstehen sehr schnell und lösen sich genauso wieder auf. Klassische Vorhersagemodelle sind da kaum zu gebrauchen. Stattdessen werden im sogenannten "now-casting-Bereich" von bis zu drei Stunden vor dem Ereignis die Daten von Wetterradarsystemen, Wettersatelliten und Blitzerfassungssystemen mit der Erfahrung der Meteorologen zusammengetragen. Eine neue Software errechnet aus den Daten bis zu Minuten vor dem Unwetter, wo sich eine Gewitterzelle in den kommenden 90 Minuten hinbewegen wird, ob sie sich verstärkt oder schwächer wird. Durch diese Technik können konkret Landkreise gewarnt werden. Doch es bleibt auch hier eine Unsicherheit, denn Gewitterzellen halten sich nicht an die Prognosen.

Vorhersage von Stürmen

Erste Hinweise auf einen winterlichen Sturm über dem Atlantik erhalten Meteorologen mittlerweile schon bis zu fünf Tage bevor sich der Sturm zusammenbraut. Zwischen Neufundland und Großbritannien treffen südliche milde Meeresluft und Kaltluft aus dem Norden aufeinander und bilden eine stürmische Mischung. Die Meteorologen beobachten diese zunächst, indem sie die zukünftige Luftdruckverteilung per Computer simulieren: Liegen die Isobaren – die Linien gleichen Luftdrucks – sehr eng beieinander, kommt ein Sturm auf. Dank unterschiedlicher Computermodelle und -berechnungen, die miteinander kombiniert werden, kann dieser Prozess immer besser vorhergesagt werden. Konkreter können die Sturmwarnungen drei bis vier Tage vor dem Sturm werden. Einen Tag bevor der Sturm eintrifft, wissen die Meteorologen, mit welcher Wucht er ankommt.

Hochleistungsrechner machen es möglich

Hochleistungsrechner des DWD

Möglich wurden die derzeitigen Vorhersagen nur, weil die Computer immer leistungsfähiger wurden. So verarbeiten beim Deutschen Wetterdienst (DWD) in Offenbach Hochleistungsrechner im Wert von 40 Millionen Euro täglich rund um die Uhr Daten von Wetterstationen aus der ganzen Welt. Sie werden unter anderem gefüttert mit Luftdruck, Temperatur, Niederschlag, Sonnenscheindauer, Wolkenbildung, Bodenfeuchte und dem Zustand der Atmosphäre in verschiedenen Höhen. Daraus berechnen sie zweimal täglich für sieben Tage im Voraus das weltweite Wetter. Für Europa kalkulieren die Rechner viermal täglich das Wetter für die nächsten vier Tage. Gleichzeitig berechnen sie die Prognose für Deutschland für die nächsten 48 Stunden und das acht Mal am Tag, jeweils für die nächsten 18 Stunden.

Computer rechnet, Meteorologe bewertet

Aber nicht alle Arbeit erledigen die Computer: Sie liefern nur Wahrscheinlichkeiten. Um zu bewerten, welche Modelle für die aktuelle Wetterlage am besten passen, braucht es immer noch erfahrene Meteorologen. Nur, wenn die Meteorologen das globale Wetter kennen, können sie das lokale überhaupt vorhersagen, denn das ist noch immer die größte Herausforderung. Dass es am folgenden Tag in Deutschland regnen wird, erkennt man – nur ob es in Ingolstadt oder Nürnberg regnen oder blitzen wird, das ist schwierig zu sagen.

"Das ist etwa so wie mit einem Topf kochendem Wasser. Zu 100 Prozent können wir sagen, dass Blasen im Topf aufsteigen werden. Aber wo genau, das ist schwer zu sagen."

Uwe Kirsche, DWD

Zehn Tage im Voraus können die Meteorologen des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) im englischen Reading prognostizieren. Ihre großräumigen Prognosen gelten als besonders verlässlich. Zur Berechnung ihrer Vorhersagen arbeiten sie mit dem Computermodell mit der derzeit bestmöglichen Auflösung. Gerade die Berechnungsmodelle und Simulationen werden ständig weiterentwickelt und verfeinert. Ein Beispiel: die Ensemble-Rechnung. Bei ihr verändern die Meteorologen einzelne Parameter wie die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck um minimale Werte. Bleibt die Vorhersage für Deutschland und die einzelnen Regionen dabei in 14 von 20 Fällen annährend gleich, liegt die Wahrscheinlichkeit der Vorhersage immerhin bei 70 Prozent. Auch hier gilt: Kleinste Veränderungen können große Auswirkungen haben!

Ein Teilgebiet der Physik

Um sich mit der meteorologischen Chaosforschung auseinanderzusetzen, um die Wetterlage und ihre Begleiterscheinungen mithilfe der unterschiedlichsten Messgeräte zu analysieren und Prognosen anzufertigen oder Schadstoffe in der Luft zu erfassen, muss man heutzutage ein Masterstudium an der Universität absolvieren. Dabei werden neben der Meteorologie auch zahlreiche andere Disziplinen wie Mathematik, Geowissenschaften oder Medizin gestreift.

Der Weg zum Meteorologen

Themenbereiche

Meteorologen erforschen und analysieren die Erdatmosphäre und ihre Wechselwirkung auf der Grundlages physikalischer Gesetzmäßigkeiten.
Zu diesem komplexen System zählen:
- die Hydrosphäre (Ozeane, Seen, Flüsse),
- die Kyrosphäre (Eis, Schnee),
- die Litosphäre (Gesteinshülle der Erde) und
- die Biosphäre (Pflanzen, Tiere, Menschen).

Sie erstellen Wetterkarten, erfassen Schadstoffe in der Luft und fertigen Wetterprognosen und Gutachten an.
Sie verfeinern Messinstrumente oder entwickeln neue Messmethoden und -geräte sowie Datenverarbeitungssoftware.
Sie beobachten und erforschen solare und terrestrische Strahlungen.
Sie erklären und beschreiben das Wetter und Klima der Vergangenheit und Gegenwart und erstellen Prognosen für die Zukunft.
Sie versuchen klimatischen Veränderungen und Prozessen auf die Spur zu kommen und sie zu erklären.

Studium

Das Studium der Meteorologie ist ein Studium der Physik, das sich im Speziellen mit atmosphärischen Prozessen befasst, die das Klima und Wetter beeinflussen. Um diese Prozesse zu verstehen, sind grundlegende Kenntnisse in der Strömungsmechanik, der Thermodynamik und der Strahlungsübertragung wichtig. Pflichtfächer sind: Mechanik, Numerik, Mathematik, Physik, Klimatologie.

In Bayern kann man Meteorologie nur an der Ludwig-Maximilian-Universität München studieren. Das Grundstudium dauert vier Semester und vermittelt die Grundlagen der Physik, der Mathematik, Quantenmechanik und Struktur der Materie. Dann folgt ein Orientierungsstudium von zwei Semestern, in denen man sich auf ein Teilgebiet der Physik spezialisiert.

Das Studium der Meteorologie kann man nach erfolgreichem Bachelorstudium in vier Semestern als Vertiefung anhängen. Dabei besucht man zwei Semester lang Veranstaltungen und schließt mit einer Masterarbeit ab. Die Meteorologie gliedert sich in einen mathematisch orientierten Theorieteil und in die experimentelle Meteorologie, die sich mit der Beobachtung und Interpretation der atmosphärischen Prozesse befasst. Nach erfolgreichem Studium, darf man sich "Master of science" nennen.

Interdisziplinäre Fachgebiete

Es gibt viele Fachgebiete mit denen die Meteorologie in Verbindung steht oder aus der sie sich bedient.
Beispiele:
Physik (Hydrodynamik, Thermodynamik, Optik)
Mathematik (Numerik, Funktionalanalyse, lineare Algebra)
Informatik (Programmieren, Algorithmik, Behandlung großer Datenmengen)
Chemie (Ozonchemie, Stickstoff- und Kohlenstoffchemie)
Geowissenschaften (Klimatologie, Paläoklimatologie, Glaziologie)
Medizin (Humanbiometeorologie)
Biologie (Einfluss von Pflanzenbewuchs auf Wetter und Klima)

Einsatzgebiete

Wir kennen fast nur die Meteorologen, die in die Kamera lächeln, uns die Wetterkarten erklären und versuchen uns auf das Wetter der kommenden Tage einzustimmen. Dabei versuchen sie den wissenschaftlichen Stoff möglichst einfach und verständlich zu erklären. Doch die wenigsten Meteorologen arbeiten vor der Kamera oder am Mikrofon.

Einsatzmöglichkeiten von Meteorologen:
Forschungseinrichtungen (Sternwarten, Klimaforschung, Alfred-Wegener-Institut)
Deutscher Wetterdienst
Private Wetterdienste
Umweltschutz-, Wasser- oder Schifffahrtsämter
Stadtplanung
Hochschulen
Rundfunk- und Fernsehanstalten
Militärische Einrichtungen
Versicherungen
Banken und Börse
Datenverarbeitung und -analyse

  • "Die Wetterpropheten - Wie Meteorologen Sonne und Regen vorhersagen": radiowissen, Bayern 2, am 9.08.2018, um 9.05 Uhr
  • "Jahreszeitenprognose - Forscher wollen Wetter über Monate vorhersagen": IQ Wissenschaft und Forschung, Bayern 2, am 14.10.2016, um 18.05 Uhr

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