Hintergrund

Zeitreisen in die Wettergeschichte

Klimaforscher rekonstruieren die täglichen Wetterereignisse der letzten 140 Jahre. Damit liefern sie wertvolle Daten, um klimatische Entwicklungen besser erklären zu können.

Wasserhosen auf dem Zürichsee: Am 5. Januar 1919 morgens 9.30 bis 10 Uhr. Das Bild entstand nach der Skizze eines Augenzeugen, der das Ereignis am rechten Ufer bei Uerikon beobachtete.

Wasserhosen auf dem Zürichsee: Am 5. Januar 1919 morgens 9.30 bis 10 Uhr. Das Bild entstand nach der Skizze eines Augenzeugen, der das Ereignis am rechten Ufer bei Uerikon beobachtete.

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Es geschah am 5. Januar 1919, morgens gegen 10 Uhr. Wasserhosen wirbelten über den Zürichsee. Ein Beobachter skizzierte das seltene Schauspiel. Über 90 Jahre später taucht die Handzeichnung wieder auf. Stefan Brönnimann, Klimaforscher am Geografischen Institut der Universität Bern, nimmt das Phänomen als Beispiel, um ein neues Instrument der Meteorologen und Klimaforscher zu demonstrieren.

Im Grunde ist es ein nüchterner Datensatz eines Wettervorhersage-Systems des amerikanischen Wetterdienstes. Die Ergebnisse der Datenbank sind allerdings erstaunlich. Klimaforscher können nun die täglichen Wetterereignisse der letzten 140 Jahre rekonstruieren, wie kürzlich im «Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society» berichtet wird. So zum Beispiel das Windfeld des Tiefdruckgebiets mit Zentrum über dem Ärmelkanal vom 5. Januar 1919, als der Wind den Zürichsee durchpeitschte. «Der neue Datensatz ist ein Meilenstein, um das vergangene Wetter zu erforschen», sagt Brönnimann. Die Computertechnik macht es heute möglich, mit alten, vermeintlich verstaubten Messdaten das Wetter der Vergangenheit zu rekonstruieren.

Wetterkarten entstehen schon lange nicht mehr allein aufgrund der Daten von Messstationen. Diese zeigen nur einen punktuellen Blick auf das Wettergeschehen. Ereignisse lassen sich jedoch nur verlässlich interpretieren, wenn eine dreidimensionale und zeitlich wie räumlich hoch aufgelöste Wetterkarte vorliegt. Eine solche können Computersysteme berechnen, die alle verfügbaren Beobachtungen wie Temperatur, Druck, Wind und Luftfeuchtigkeit von weltweit Tausenden Messstationen mit einem Wettervorhersage-Modell kombinieren. Daraus entstehen Daten, die das Wetter komplett in seinem räumlichen und zeitlichen Verlauf mit allen physikalischen Vorgängen beschreiben und mit allen Beobachtungen im Einklang sind.

Ein enormer Rechenaufwand

Solche modernen Vorhersagemodelle haben amerikanische Wissenschaftler der Universität von Colorado und der US-Behörde für Ozean- und Atmosphärenforschung (Noaa) verwendet, um das Wetter der Vergangenheit aufzeigen zu können.

Dafür griffen sie auf Bodendruckdaten zurück, die auf unseren Breitengraden seit 1871 weltweit gemessen werden. Auch aus den Tropen sind Daten vorhanden, jedoch nie in diesem Umfang. Die Abweichung zwischen Modelldaten und Beobachtungen ist entsprechend grösser. Der Rechenaufwand war enorm, um aus den Bodendruckdaten verschiedene Wetterkenngrössen wie Oberflächentemperatur, Wind oder Niederschlag für eine solche lange Periode zu berechnen.

Superrechner im Einsatz

Dafür verwendeten die Forscher die weltweit stärksten Supercomputer, die einen Datensatz modellierten, mit dem sich tägliche Wetterereignisse der Vergangenheit global im 6-Stunden-Takt rekonstruieren lassen. Die Modelle wurden laufend anhand von historischen Messdaten überprüft und korrigiert. Die Forscher sprechen von Reanalyse.

Die Wissenschaftler liessen dabei 56 Simulationen laufen, die sie einzeln jeweils an die Messdaten anpassten. Gleichzeitig wurden jedoch die Anfangswerte für jede Simulation leicht verändert, um systematische Fehler des Modells und auch der Messvorrichtung herauszufiltern.

Erklärungen für Unglücke

Entsprechend verwendeten die Wissenschaftler den Mittelwert der Simulationsergebnisse. Die Resultate verblüffen: Die meteorologischen Verhältnisse bei historischen Stürmen lassen sich erstaunlich genau rekonstruieren. Zum Beispiel der orkanartige Sturm, der am 28. Dezember 1879 die drei Kilometer lange Eisenbahnbrücke Firth of Tay in Schottland zerstörte, als ein Zug darüber fuhr. Alle 72 Passagiere und 3 Bahnbedienstete kamen dabei ums Leben.

«Stichproben in den USA, in Mitteleuropa oder Japan ergaben ebenfalls gute Resultate», sagt der Berner Klimaforscher Stefan Brönnimann. Die Berner Klimaforscher lieferten für die Modellierer wichtige Daten, um die Modellergebnisse jeweils zu überprüfen. Die Berner Forscher verfügen über eine grosse Datenbank mit Daten zu Temperatur, Druck und Wind oberhalb der Erdoberfläche über die letzten 100 Jahre.

Es fehlen noch viele Daten

Generell liegt weltweit, vor allem für Europa und die USA, ein riesiger Fundus an historischen Wetterdaten und Aufzeichnungen der letzten gut 150 Jahre bereit. Das Datenmaterial stammt von Wetterstationen, aber auch Schiffsbeobachtungen von allen Weltmeeren, Aufzeichnungen von Botanikern und Ärzten sowie historische Dokumente gehören dazu. Viele historische Daten sind aber bis heute nicht digital erfasst worden. «Die Menge an noch nicht digitalisierten Wetterdaten vor etwa 1950 muss enorm sein», sagt Stefan Brönnimann. Wie gross der Umfang tatsächlich sei, wisse niemand genau, weil es keine umfassenden Zusammenstellungen oder Inventare gebe.

Dabei geht es nicht nur um die Digitalisierung. Die Daten müssen auch vergleichbar sein. Viele Messreihen verzeichnen ungewöhnliche, unplausible Entwicklungen, die vielfach auf veränderte Messinstrumente, Methoden oder Messorte im Verlaufe der Jahrzehnte zurückzuführen sind. So müssen frühere Messdaten, aber auch Beobachtungen von historischen Dokumenten erst «homogenisiert» werden. «Dieser Abgleich ist eine grosse Herausforderung», so Brönnimann.

Klimawandel identifizieren

Die neue Datenreihe hilft Klimaforschern, zum Beispiel die Entwicklung von Extremereignissen über einen längeren Zeitraum zu verfolgen. Diese spielen in der Klimaforschung eine immer grössere Rolle. Weil Extreme relativ selten vorkommen, ist es schwierig, Veränderungen zu diagnostizieren. Dazu braucht es Daten, welche die Wetterereignisse langfristig abbilden. Das ist mit dem neuen Datensatz möglich. «Auch wenn es sich nach wie vor um Modelldaten und keine Beobachtungen handelt», sagt Brönnimann.

Zum Beispiel könnte geprüft werden, wie häufig die sogenannte «Omegalage» in den letzten 140 Jahren vorkam und ob im Zusammenhang mit dem Klimawandel Veränderungen sichtbar sind. Diese Wetterlage brachte im letzten Sommer Russland eine Jahrhunderthitze und Pakistan verheerende Überflutungen.

Bis heute lassen sich extreme Wetterlagen nicht in einen Kontext mit dem Klimawandel bringen, unter anderem weil die hemisphärischen Strömungsmuster bis heute noch zu wenig untersucht worden sind.

Erstellt: 31.01.2011, 20:28 Uhr

Windfeld in Europa: Auf 10 Meter über Grund am 5. Januar 1919 morgens um 7.00 Uhr. Die Daten stammen aus dem Projekt «The Twentieth Century Reanalysis Project».

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