Welche physikalischen Prozesse beschränken die Vorhersagbarkeit?

Basierend auf Simulationen mit dem ICON-Modell des Deutschen Wetterdienstes wurde untersucht, in welcher Weise Fehler und Unsicherheiten im Anfangszustand der Wettervorhersage die Vorhersagbarkeit beschränken und welche Verbesserungen in Zukunft noch möglich sein werden. Dazu wurde die Unsicherheit im Anfangszustand künstlich um den Faktor 1000 reduziert, um (nahezu) perfekte Anfangsbedingungen zu simulieren. Die Modell-Experimente ergaben, dass selbst mit dieser enormen Verbesserung nur eine relativ geringe Verlängerung des vorhersagbaren Zeitraums um etwa fünf Tage erreicht werden kann.

Mit Hilfe einer speziellen, an der Universität Mainz entwickelten Analysetechnik konnte zudem gezeigt werden, warum das so ist: Die physikalischen Prozesse, die das anfängliche Fehlerwachstum dominieren ändern sich, wenn die Anfangsunsicherheit kleiner wird. Heutige Verhältnisse sind in der linken Abbildung dargestellt. Das Fehlerwachstum wird hier durch rotierende Wirbelströmungen vorangetrieben, wie sie für große Wettersysteme wie Hochs und Tiefs typisch sind. Die rechte Abbildung zeigt die Situation für die hypothetische 1000-fache Verringerung der Anfangsfehler, also dem quasi perfekten Anfangszustand. Hier dominieren nun Prozesse wie Niederschlag und Konvektion das Fehlerwachstum zu Beginn, die wesentlich kleinskaliger sind als die Hochs und Tiefs und die ihre Energie aus der Kondensation von Wasserdampf beziehen. Durch Skalenwechselwirkungen limitieren sie auch die langfristige, großskalige Vorhersage und machen weitere Verbesserungen der Prognose unmöglich.

Selz, T., M. Riemer, and G. Craig, 2021: The transition from practical to intrinsic predictability of midlatitude weather. Submitted to JAS.