Gewitter im Rechner

Die Wetterprognosen wurden in den letzten Jahren immer zuverlässiger. Möglich wurde dies durch hochauflösende Prognosewerkzeuge, mit denen das Wettergeschehen präzise nachgebildet werden kann. Inzwischen lassen sich im Modell auch kleinräumige Gewitterwolken realitätsnah simulieren – eine wichtige Voraussetzung für verlässliche Voraussagen im Sommer.

Text: Felix Würsten, Grafik: Wolfgang Langhans/ETH

 

 

Vor 30 Jahren sagten die Prognostiker des nationalen Wetterdienstes MeteoSchweiz – der damals noch Schweizerische Meteorologische Anstalt hiess – die grossräumige Wetterlage für den nächsten Tag in sieben von acht Fällen richtig voraus. Heute beträgt die Zuverlässigkeit einer solchen Voraussage immer noch etwa 87 Prozent – allerdings nicht mehr für die Eintagesprognose, die inzwischen eine Präzision von 98 Prozent aufweist, sondern für die Vorhersage über die nächsten fünf Tage hinweg. Möglich wurde dieser Fortschritt durch die rasante Zunahme der Rechenleistung und durch die Entwicklung von immer besseren Wettermodellen. Wurden 1993 die ersten operationellen Wetterprognosen noch auf dem Grossrechner Cray Y-MP an der ETH Zürich erstellt, der mit 1,2 Gigaflops ungefähr die gleiche Rechenleistung hatte wie heute ein iPhone 4S, werden die täglichen Wetterprognosen inzwischen auf dem Rechner «Buin» am CSCS in Manno berechnet, der über eine 10000-fach höhere Rechenleistung von 14,2 Teraflops verfügt. Diese Zunahme der Rechenleistung erlaubte es, 2008 das Wettermodell COSMO-2 in Betrieb zu nehmen. Dieses bildet den Alpenbogen mit einer horizontalen Auflösung von 2,2 Kilometern ab, wie Philipp Steiner, Leiter der Abteilung Numerische Modelle bei MeteoSchweiz, erklärt. «Durch die hohe Auflösung können wir das Wettergeschehen in diesem anspruchsvollen Gebiet recht genau voraussagen.» Das lokale Modell COSMO-2, mit dem am CSCS alle drei Stunden eine neue Prognose berechnet wird, bildet dabei die unterste Stufe einer ganzen Modellkaskade: Eingebettet ist es in das regionale COSMO-7-Modell, das mit einer Maschenweite von 6,6 Kilometern dreimal pro Tag eine Dreitagesprognose für Europa liefert. Und dieses wiederum basiert auf den Daten, die zwei Mal pro Tag vom globalen Wettermodell IFS am European Centre for Medium-Range Weather Forecasts in Reading geliefert werden.

Tausende von Zellen

Das Grundkonzept der numerischen Wetterprognose ist in all den Jahren gleich geblieben: Die Atmosphäre wird im Modell in Tausende von Zellen unterteilt, deren Zustand zum Zeitpunkt null mit Hilfe von Wettermessungen bestimmt werden kann. Basierend auf einem komplexen System von Differenzialgleichungen, die die physikalischen Vorgänge in der Atmosphäre beschreiben, lässt sich anschliessend berechnen, wie sich jede einzelne Zelle über die Zeit verändern wird. Der Zustand innerhalb der Zellen ist in der Realität natürlich nicht homogen, wie im Modell angenommen. Diesen Umstand versucht man mit der so genannten Parametrisierung aufzufangen, mit der kleinräumige Effekte innerhalb der Zellen nachgebildet werden. Dabei gilt als Faustregel: Je kleiner die Zellen sind, desto einfacher wird die Parametrisierung, da die physikalischen Prozesse genauer beschrieben werden können. Allerdings steigt im Gegenzug der Rechenaufwand, und zwar mit der vierten Potenz: Wird die Maschenweite im Modell halbiert, braucht es bei gleicher Rechenzeit eine 16mal höhere Rechenleistung. Dazu kommt ein zweites Problem: Der Anfangszustand der Atmosphäre ist nie völlig genau bekannt. Und da kleine Ungenauigkeiten am Anfang über die Zeit hinweg zu grossen Fehlern anwachsen können, kommt der so genannten Datenassimilation eine zentrale Bedeutung zu. Da das COSMO- Modell nur quantitative Eingangsdaten wie Temperatur, Windgeschwindigkeit oder Druck verarbeiten kann, müssen die Informationen von Wettersatelliten oder Regenradars zuerst aufwändig aufbereitet werden – eine anspruchsvolle Aufgabe, wie Steiner festhält. Tatsächlich gelang es erst in den letzten Jahren, die Umwandlung so weit voranzutreiben, dass sie für den operationellen Betrieb verwendet werden kann.

An der nächsten Generation von Wettermodellen werde bereits gearbeitet, verrät Steiner: «Zusammen mit Forschern der ETH Zürich und anderen Partnern arbeiten wir an der Entwicklung des COSMO-1-Modells, das nur noch eine Maschenweite von 1 Kilometer haben wird. Diese neue Version wird auch die Daten der Wettersatelliten direkt verwenden können.» Läuft alles nach Plan wird das neue Modell 2015 in Betrieb gehen. Gleichzeitig arbeiten die Forscher auch an einem neuen Ensemble-Modell, mit dem die Zuverlässigkeit der Wetterprognose bestimmt werden kann. «Mit dem Ensemble-Modell rechnen wir jeweils verschiedene Durchläufe mit leicht unterschiedlichen Ausgangswerten durch. Dadurch können wir ermitteln, mit welcher Wahrscheinlichkeit das vorausgesagte Wetter eintreffen wird.»

Neue Verhältnisse im Sommer

Mit dem Wettermodell COSMO arbeitet auch Christoph Schär, Professor am ETH-Institut für Atmosphäre und Klima. Er verwendet das Instrument allerdings nicht für Wetterprognosen, sondern um die regionalen Folgen des Klimawandels abzuschätzen. Besonders anspruchsvoll ist die Simulation der Sommermonate: Zum einen ist das Wetter in dieser Jahreszeit ohnehin schwierig vorauszusagen, weil kleinräumige Effekte wie Wolkenbildung und Gewitter eine prägende Rolle spielen. Zum anderen wird sich das Klima im Sommer gravierend verändern. «Es gibt nicht einfach wie im Winter, Frühling und Herbst eine Verschiebung hin zu den wärmeren Jahreszeiten, sondern wir werden im Sommer künftig völlig neue Verhältnisse haben.» Schär hat sich in den letzten Jahren intensiv mit der Modellierung vonWolken und Gewittern befasst. «Diese Vorgänge sind wichtig, weil sie andere wetterrelevante Faktoren wie die Sonneneinstrahlung und die Bodenfeuchte direkt beeinflussen.» Eine Prognose, ob es an einem bestimmten Ort am nächsten Tag gewittern wird, sei zwar auch künftig kaum möglich, meint Schär. «Doch wir werden genauer voraussagen können, mit welcher Wahrscheinlichkeit in einer Region mit einem Gewitter gerechnet werden muss.» Die Physik von kleinräumigen Gewitterzellen lässt sich bereits mit einer Auflösung von rund 1 Kilometer recht gut nachbilden, wie Schärs Doktorand Wolfgang Langhans kürzlich gezeigt hat. Dabei konnte er nachweisen, dass man bei der räumlichen Auflösung ein wichtiges Ziel erreicht hat: «Verkleinert man die Maschenweite im Modell von 2 Kilometer auf 500 Meter, lassen sich kleine Gewitter zwar noch besser abbilden als mit einer Maschenweite von 1 Kilometer», stellt Langhans fest. «Doch auf die grossskalige Wetterlage hat die stärkere Verfeinerung keinen Einfluss mehr. Mit 1 Kilometer hat man also diejenige Maschenweite erreicht, die für eine adäquate Beschreibung des Wettergeschehens notwendig ist.»

Immer komplexere Modelle

Der gemeinsame Einsatz der Wettermodelle habe die Wetterprognostiker und Klimaforscher näher zusammengebracht, stellt Isabelle Bey fest. Als Geschäftsführerin koordiniert sie die Aktivitäten des Center for Climate System Modeling (C2SM), an dem sich Wissenschaftler der ETH Zürich, der MeteoSchweiz, der Empa und der Agroscope Reckenholz-Tänikon beteiligen. Das Kompetenzzentrum, dessen Aufbau durch private Donationen an die ETH Zürich Foundation ermöglicht wurde, erleichtert die Zusammenarbeit der Modellanwender. «Wir unterstützen die Forschenden im Umgang mit den immer komplexeren Modellen», erklärt Bey. Komplexer werden die Modelle, weil die Wissenschaftler immer mehr Prozesse in die Berechnungen einbeziehen. Bey selbst untersucht beispielsweise, wie sich Aerosole wie Russ-, Staub- und Salzpartikel in der Atmosphäre ausbreiten. «Die kleinen Partikel sind wichtig für das Klima, weil sie die Strahlungsbilanz der Erde beeinflussen und die Wolkenbildung prägen», erklärt sie. «Im Gegensatz zu den Treibhausgasen, die relativ lange in der Atmosphäre bleiben, haben die Aerosole nur eine beschränkte Aufenthaltszeit. Dementsprechend ist ihr Verhalten schwieriger nachzubilden.» Einen wichtigen Entwicklungsschritt erhoffen sich die Modellanwender vom Projekt High-Performance and High-Productivity Computing (HP2C): Das heutige Prognosemodell COSMO wird auf die neue Rechnergeneration ausgerichtet, die demnächst in Betrieb gehen wird und einen weiteren Leistungsschub bringen soll. «Da die neuen Grossrechner mit anderen Prozessoren arbeiten, müssen wir weite Teile des Modells umschreiben und die Arbeitsabläufe innerhalb des Modells neu organisieren», hält Schär fest. «Die  Herausforderung besteht darin, die Zehntausende von Prozessoren optimal zu nutzen und die notwendigen Datenflüsse zwischen diesen Prozessoren zu gewährleisten. Dabei zeigt sich, dass nicht mehr die Rechenzeit selber die entscheidende Einschränkung darstellt, sondern dass künftig der Zugriff auf die Speicher der limitierende Faktor sein wird.» Angesichts der zunehmenden Komplexität der Modelle und der neuen Rechnerarchitektur zeichnet sich für Schär ab, dass die Meteorologen und Klimaforscher künftig vermehrt auf die Unterstützung von Computerspezialisten angewiesen sein werden. «Und damit werden sich für uns auch völlig neue Zusammenarbeiten ergeben.»