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StartseiteForschung aktuellDer Vorhersager15.04.2019

Algorithmen im Alltag (8/12)Der Vorhersager

Windkraftanlagen, Flugverkehr, Seefahrt: Es gibt Branchen, für die Wettervorhersagen enorm wichtig sind. Darum arbeiten Meteorologen seit Jahrzehnten daran, die Prognosen zu verbessern, um beispielsweise Unwetter genauer vorhersagen zu können. Dabei spielen Algorithmen eine immer wichtigere Rolle.

Von Piotr Heller

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Eine Grafik zum Beitrag "Der Vorhersager" (Hans-Jörg Brehm / epict.de)
Wenn Stürme falsch vorhergesagt werden, kann das fatale Folgen haben (Hans-Jörg Brehm / epict.de)
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"Was Sie bei der Wettervorhersage haben, ist wie ein Orchester aus Algorithmen: Ein Modell, mit dem Sie irgendwas rechnen können in die Zukunft, da sind Strömungen, da sind Strahlungen. Sie haben Wolkenmikrophysik. Wie die Violinen, die ja auch die höheren Frequenzen spielen und die Celli, die die dicken Frequenzen darstellen, und das Schlagzeug, das den Takt vorgibt: So müssen diese Algorithmen zum richtigen Zeitpunkt auf der richtigen Skala die richtigen Sachen simulieren und machen."

So veranschaulicht Roland Potthast vom Deutschen Wetterdienst in Offenbach die Berechnung der Wettervorhersage. Im Grunde macht das Orchester folgendes: Es beschreibt das hochkomplexe Wettergeschehen in Form von physikalischen Gleichungen und nähert sich deren Lösung numerisch an. Das heißt: Das komplizierte System von Gleichungen wird nicht wirklich gelöst. Der Algorithmus findet aber eine Näherungslösung, die der korrekten nahekommt. Das Prinzip lässt sich an einem Teil des Orchesters erklären, dem Computermodell, das die großräumigen Luftströmungen simuliert. Gefüttert wird es mit haufenweise Messwerten.

Die Basis aller Wetterprognosen

"Satelliten, die messen Mikrowellen oder im Infrarotbereich. Sie haben Wetterballons, wo ein Sender dran ist und ein Gerät, das Feuchte misst und auch die Winde und Temperaturen und Druck. Jeder Verkehrsflieger hat heute eine Reihe von Messgeräten".

Die Daten dieser zigtausend Messfühler weltweit werden aufwendig zusammengefasst und auf ein regelmäßiges Gitterraster übertragen. Man hat dann alle 13 Kilometer eine Säule aus 90 Schichten vom Erdboden bis in 70 Kilometer Höhe, für die Luftfeuchte, -druck, -temperatur und andere Parameter sehr genau bekannt sind. Dieser Istzustand der Atmosphäre ist der Ausgangspunkt der Vorhersage. Der Algorithmus berechnet dann für jeden Punkt auf dem Gitter die Lösung physikalischer Gleichungen, welche beschreiben, wie sich die Wettervariablen in diesem Punkt mit der Zeit verändern. 

"Jetzt beginnt das Rechnen. Sie nehmen diese Größen her. Sie rechnen quasi die Veränderung jeder Größe aus. Sie gehen wie so an einer Kurve ein Stückchen weiter in der Zeit quasi. Die Zauberei ist eine einfache Summe. Die Ableitung mal die Länge des Zeitschritts liefert ihnen den nächsten Wert. Und das können Sie durchlaufen lassen in einer großen Schleife, parallelisiert auf dem Großrechner."

Algorithmen richtig trimmen ist eine Kunst

So einfach, wie das klingt, ist es natürlich nicht, sonst bräuchte man keinen Großrechner. Für eine globale Vorhersage müssen nämlich eine Milliarde Gleichungen berechnet werden. Die Kunst ist es, diese Algorithmen richtig zu trimmen. Nehmen wir die Zeitschritte, in denen der Algorithmus rechnet. Sie sind sozusagen der Takt des Orchesters. Sind sie zu klein, wird der Rechner nie fertig. Sind sie zu groß, taugt die Vorhersage nichts. Aktuell rechnen sie beim Deutschen Wetterdienst in 24-Sekunden-Schritten in die Zukunft. Das kann der Algorithmus zum Beispiel 450 Mal machen.

Wetterentwicklungen vorausberechnen

"Dann haben Sie über drei Stunden - sind Sie der Strömung gefolgt. Da können Sie sich genau vorstellen: Da bewegt sich ein Tiefdruckgebiet, dreht sich und Sie haben quasi in kleinen Zeitschritten das nachgerechnet." 

Genauer gesagt: vorausgerechnet. Die zeitliche Entwicklung des Tiefdruckgebiets sieht man dann in Form der Luftdruckwerte, die der Algorithmus für jeden Ort des globalen Punkterasters berechnet hat. Hinzu kommen Verfahren, die daraus etwa die Wolkenbildung ableiten. Und natürlich hört der Algorithmus nicht nach drei Stunden auf, sondern rechnet gut eine Woche in die Zukunft. Die Unsicherheiten, weil die gemessenen Eingangsdaten letztlich nie hundertprozentig genau sind, schaukeln sich dabei allerdings immer weiter auf. Um dennoch treffsichere Prognosen zu liefern, wird das Prozedere 40 Mal wiederholt, aber jeweils mit leicht veränderten Anfangswerten. Passend zum Orchesterbild nennt sich diese Methode "Ensemblevorhersage".

"Und Sie haben im Prinzip ein System, was auseinanderläuft. An Anfang ist das sehr gering, da haben Sie relativ gute Einschätzungen. Und wenn Sie dann auf drei, vier fünf Tage gehen, dann sehen Sie richtig: Das eine Tiefdruckgebiet in dem einen Modell läuft in die eine Richtung und das andere in die andere Richtung, das eine läuft nach Dänemark, das andere nach Bayern."

Grenzen für die Wettervorhersage

"Man sagt, dass die natürliche Grenze für die Wettervorhersage bei etwa 14 Tagen liegt. Die großen Skalen laufen nach 14 Tagen so weit auseinander, dass man keine Vorhersagegüte mehr erwarten kann."

Wie präzise die Algorithmen sind, ist pauschal schwer zu beantworten. Man kann sagen, dass sie die Temperatur, die in 1.000 Metern Höhe in drei Stunden herrschen wird, auf ein zehntel Grad genau berechnen können. Man kann historisch vergleichen: Heute sind die Fünf-Tages-Wetterprognosen so zuverlässig wie vor 50 Jahren die Ein-Tages-Vorhersage. Das liegt übrigens sowohl an schnelleren Rechnern, wie auch an besseren Algorithmen und an mehr Messgeräten, die präziseren Input liefern.

Nutzen für den Flugverkehr

Man kann das alles aber auch etwas anders ausdrücken.

"Wenn Sie mit einem Flugzeug fliegen, dann weiß der Pilot in der Regel auf die Minute genau, wann er ankommt. Und das weiß er, weil er eine Wettervorhersage über seinen gesamten Flug hat. Mit genau den Winden für jede Stunde. Und das war vor Jahren so gar nicht möglich und es wird immer besser."

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