Der Meteorologe Peter Knippertz erklärt die Hintergründe der Wetterkapriolen in den vergangenen Tagen. Alle fragen sich: Wie lange geht das noch so?
Der Klimawandel macht Wettervorhersagen tendenziell schwieriger, sagt Peter Knippertz vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dafür eröffnet Künstliche Intelligenz der Meteorologie ganz neue Möglichkeiten.
Herr Knippertz, in den vergangenen Tagen gab es extreme Temperaturausschläge. Mal hatten wir bis zu 35 Grad, dann wieder nur 16 Grad. Ist das noch ein normaler Frühsommer?
Wechselhaftes Wetter ist im Spätfrühling und im Frühsommer nicht ungewöhnlich. Die Luft über dem Nordatlantik ist zurzeit noch relativ kühl. Wenn der Wind von dort weht, kann es daher recht frisch werden. Andererseits haben wir derzeit die stärkste Sonneneinstrahlung, was stellenweise zu recht hohen Temperaturen führen kann. Wenn es Richtung August geht, stellt sich meist eine stabilere Großwetterlage ein. Dann haben sich die Landmassen und die Meere in der nördlichen Hemisphäre mehr oder weniger gleichmäßig erwärmt. Durch die geringeren Temperaturunterschiede ist das Wetter im Hoch- und Spätsommer nicht mehr so wechselhaft wie derzeit.
Kann man das Wetter heute besser vorhersagen als früher?
Auf jeden Fall. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Wettervorhersagen. Eine Variante sind deterministische Vorhersagen, bei denen man sagt: Morgen regnet es, und es wird 25 Grad warm. Was wir heute vor allem machen, sind aber probabilistische Vorhersagen, bei denen etwa angegeben wird, dass es an einem bestimmten Tag mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit regnet. Um die Qualität solcher Vorhersagen zu bewerten, betrachtet man zum Beispiel 100 Tage mit einer Niederschlagswahrscheinlichkeit von 40 Prozent. Hat es an 40 dieser Tage tatsächlich geregnet, war die Vorhersage gut.
Wichtig ist aber auch, für wie viele Tage sich das Wetter mit relativ hoher Sicherheit voraussagen lässt.
Genau. Wir nennen das den Vorhersagehorizont. Da kann man als Faustregel sagen, dass sich dieser Horizont pro Jahrzehnt um etwa einen Tag verlängert hat. In den späten fünfziger und sechziger Jahren lagen wir hier bei kaum mehr als einem Tag. Heute sind es sieben bis acht Tage.
Woher kommt diese Verbesserung?
Es gibt viel mehr Beobachtungsdaten – vor allem von Satelliten. Zudem gibt es leistungsfähigere Computer, die auch komplizierte und hochaufgelöste Vorhersagemodelle rechnen können. Hinzu kommen die Fortschritte bei der sogenannten Datenassimilation. Dabei werden Beobachtungsdaten in einem fortlaufenden Prozess direkt in die Vorhersagemodelle integriert. Ein weiterer Faktor ist die Verwendung sogenannter Ensembles. Wir errechnen dann nicht nur eine Vorhersage, sondern zum Beispiel 50 verschiedene, aus denen wir am Ende einen Mittelwert bilden. Auch das erhöht die Vorhersagequalität.
Welche Rolle spielt Künstliche Intelligenz (KI) für Wetterprognosen?
Man kann ohne Übertreibung sagen, dass KI die Wettervorhersage revolutionieren wird. Wir haben heute schon mit großen Datenmengen trainierte KI-Algorithmen, die herkömmliche Wettermodelle in manchen Bereichen klar schlagen – und zudem billiger sind. Diese Modelle brauchen für eine typische Siebentagesprognose etwa 10 000-mal weniger Rechenzeit als klassische, physikalische Modelle. Es gibt allerdings noch offene Fragen zum KI-Einsatz – etwa mit Blick auf Extremwetterereignisse. Denkbar ist auch, dass die Algorithmen teilweise unsinnige Vorhersagen machen – ähnlich den Halluzinationen, die von KI-Sprachmodellen produziert werden. Daran wird zurzeit eifrig geforscht.
Wie weit werden wir künftig bei Wetterprognosen nach vorne blicken können?
Die Atmosphäre ist ein chaotisches System, das sich nicht mit einfachen linearen Modellen beschreiben lässt. Das setzt der Vorhersagbarkeit natürliche Grenzen. Trotzdem sind weitere Verbesserungen möglich – nicht zuletzt durch den Einsatz KI-gestützter Modelle. Auch die räumliche Auflösung der Vorhersagen lässt sich noch steigern. Man sollte sich aber nicht dem Traum hingeben, dass man irgendwann tag- und ortsgenaue Wettervorhersagen für die nächsten 30 Tage machen kann.
Welche Rolle spielt der Klimawandel für Wettervorhersagen?
Durch den Klimawandel wird das Wettergeschehen tendenziell variabler – mit stärkeren Ausschlägen nach oben und unten. Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen, der seinerseits als Treibhausgas wirkt. Und je mehr Feuchtigkeit in der Atmosphäre ist, desto mehr Energie wird frei, wenn der Wasserdampf wieder zu Wasser oder Eis wird – etwa bei einem Gewitter. Ich denke, dass es durch die Erderwärmung häufiger zu etwas schwieriger vorhersagbaren Situationen kommen wird. Auf der anderen Seite gibt es in unseren Breiten eine Tendenz zu längeren Hitze- und Trockenperioden, die sich recht gut prognostizieren lassen. Hinzu kommen weitere Verbesserungen bei den Modellen und immer leistungsfähigere Computer, sodass sich die Qualität der Vorhersagen unter dem Strich weiter verbessern wird.
Und wie wird der Rest dieses Sommers?
Für so einen langen Zeitraum kann man allenfalls Wahrscheinlichkeitsaussagen für längere Perioden und größere Gebiete treffen. Man muss dabei auch zyklische Veränderungen wie den mittlerweile wieder nachlassenden El-Niño-Effekt berücksichtigen. Hinzu kommen Sondereffekte wie der Ausbruch des Vulkans Hunga Tonga im vergangenen Jahr, durch den viel zusätzlicher Wasserdampf in die Atmosphäre gelangt ist. Doch auch wenn man all das in die Vorhersagen mit einbezieht, kann man bei so langen Zeiträumen am Ende danebenliegen. Durch den Klimawandel gibt es aber generell die Tendenz, dass kommende Jahre wärmer werden als die vorangegangenen.
Für diesen Juni scheint das bislang nicht zu gelten.
Das mag sein. Aber unsere Wetterwahrnehmung hat sich auch schon ein bisschen an den Klimawandel angepasst. Wenn es im Sommer mal nicht krachend heiß ist, kommt das manchen Menschen schon komisch vor – selbst wenn die Temperaturen im langjährigen Vergleich normal oder sogar leicht erhöht sind. Man darf dabei ja nicht nur die Tage betrachten, sondern muss auch die Nächte mit einbeziehen, in denen die Temperaturen oft höher liegen als in früheren Jahrzehnten. Wie wir das Wetter wahrnehmen, hängt aber auch von der persönlichen Einstellung ab. Während sich die einen in jeder Hitzeperiode Sorgen wegen des Klimawandels machen, sagen die anderen: Das hat es früher auch schon gegeben.
Meteorologe und Experte für Wettervorhersagen
Forschung
Peter Knippertz (Jahrgang 1972) ist Professor für Meteorologie und leitet die Arbeitsgruppe für Atmosphärische Dynamik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Er beschäftigt sich unter anderem mit Tropischer Meteorologie, Starkniederschlägen sowie physikalischen und KI-gestützten Modellen zur Wettervorhersage.
Modelle
Bisherige Prognosemodelle errechnen auf Basis physikalischer Gesetze, wie sich das Wetter wahrscheinlich entwickeln wird. KI-Modelle werden dagegen mit riesigen Mengen von Wetterdaten trainiert und erkennen darin räumliche und zeitliche Muster, auf deren Basis sie die weitere Entwicklung vorhersagen. Die physikalischen Grundlagen müssen die Systeme dazu nicht explizit kennen – ähnlich wie ChatGPT die Texte nicht versteht, mit denen der Chatbot trainiert wurde. Beim Schreiben berechnet die KI nur, welches Wort mit der größten Wahrscheinlichkeit als nächstes kommt.