Was ist die Relevanz des Schmetterlingseffekts für die praktische Wettervorhersage?

• Antragsteller: Dr. Tobias Selz
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548044620

Auch wenn perfekte Beobachtungen und Modelle verfügbar wären, ist das Zeitintervall, für das genaue Wettervorhersagen möglich sind, begrenzt. Diese intrinsische Grenze ist mit grundlegenden physikalischen Eigenschaften der Erdatmosphäre verbunden: Selbst sehr kleine Anfangsfehler vergrößern sich rasch auf kleinen Skalen und breiten sich anschließend aus - ein Phänomen, das als "Schmetterlingseffekt" bekannt ist. Da gegenwärtige Fehler in der Abschätzung der Anfangsbedingungen signifikant größer sind als "Schmetterlinge", ist es grundsätzlich immer noch möglich, Wettervorhersagen erheblich zu verbessern, indem man diese Fehler reduziert. Frühere Forschungsarbeiten deuten auf eine potenzielle Verbesserung von etwa 5 Tagen hin. So könnte eine aktuelle 7-Tage-Vorhersage theoretisch auf eine 12-Tage-Vorhersage ausgedehnt werden, wenn ein optimales Beobachtungs- und Datenassimilationssystem verfügbar wäre. Solche Schätzungen basieren jedoch bisher auf Durchschnittswerten über große Regionen und auf kleinen Stichproben, meist fokussiert auf die Mittleren Breiten. Das Ziel dieses Antrags ist es, auch die Variabilität der intrinsischen Grenze und des Verbesserungspotenzial in Ort und Zeit zu bestimmen. Besondere Aufmerksamkeit soll dabei seltenen Fällen gewidmet werden, die in den aktuellen operationellen Wettermodellen eine ungewöhnlich geringe Vorhersagbarkeit aufweisen (sogenannte „forecast busts“). Es ist denkbar, dass in solchen Fällen die intrinsische Grenze vorübergehend so kurz ist, dass im Wesentlichen kein Verbesserungspotenzial mehr besteht. Diese Erkenntnis hätte weitreichende Konsequenzen für Weiterentwicklung von Vorhersagesystemen. Darüber hinaus ist geplant, die Analyse der intrinsische Vorhersagbarkeit über die mittleren Breiten hinaus auf andere Regionen der Welt, insbesondere auf die Tropen auszudehnen. Frühere Forschung deutet auf längere intrinsische Vorhersagbarkeit und ein größeres Verbesserungspotenzial in tropischen Gebieten hin. Diese quantitativen Abschätzungen der Vorhersagbarkeit sollen anschließend durch prozessbasierte Analysen ergänzt werden, um unser Verständnis des Schmetterlingseffekts und des Fehlerwachstums in der Wettervorhersage zu vertiefen. Es ist geplant, die Bedeutung des kinetischen Energiespektrums, die Rolle von äquatorialen Wellen in den Tropen und die Rolle von Vertikalbewegungen in den Warmfronten der mittleren Breiten in Bezug auf die intrinsische Vorhersagbarkeit zu erforschen. Um diese Ziele zu erreichen, ist eine große Stichprobe von Ensemble-Simulationen erforderlich. Ermöglicht werden soll dies durch numerische Experimente mit relativ niedriger Auflösung, die jedoch durch ein stochastisches Konvektionsschema ergänzt werden, um fehlende konvektive Variabilität zu berücksichtigen. Anschließend wird dieser Datensatz mit einer kleinen Auswahl der interessantesten Fälle ergänzt, für welche globale hochauflösende Simulationen mit expliziter Konvektion durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen