Geschichte der Meteorologie

Die Meteorologie ist heute ein Teilgebiet der Physik, genauer der Geophysik. Sie wird auch als Physik der Atmosphäre bezeichnet. Doch das war nicht immer so:

Frühe Entwicklungen

Vor dem 19. Jahrhundert gab es keine eigenständige Wissenschaft vom Wetter. Viele Erkenntnisse, die man heute als meteorologisches Wissensgut bezeichnen würde, wurden damals entweder der Geografie oder aber der Physik zugeordnet. Dies änderte sich im 19. Jahrhundert, als man systematisch begann, gesammelte Datensätze vorwiegend in Form klimatologischer Karten zu veranschaulichen.

Als Mitte des 19. Jahrhunderts der elektrische Telegraf erfunden wurde, versuchte man, diese neue Kommunikationstechnologie verstärkt dazu einzusetzen, Wetterdaten von verschiedenen Orten zu einem bestimmten Zeitpunkt an zentraler Stelle zusammenzutragen und verschiedenartig (besonders in Hinblick auf Wettervorhersagen) auszuwerten. Dies war der Ursprung der synoptischen Meteorologie. Synoptik bedeutet übersetzt "Zusammenschau".

Früher mussten die Synoptiker noch ohne hochauflösende Satellitenbilder auskommen (Foto MODIS).

Und so ging es weiter

Die Klimatologie und die Synoptik bestimmten in der Folge bis etwa Mitte des 20. Jahrhunderts die Wissenschaft vom Wetter. Neben den rein auf Erfahrungswerten beruhenden Interpretationen des Karten- und Datenmaterials versuchte man verstärkt auch theoretische Erkenntnisse der Physik zu nutzen.

Es wurde zunehmend deutlich, daß die Vorhersagbarkeit des Wetters basierend auf alleinigen Erfahrungswerten sehr begrenzt ist. Dagegen versprach eine fundierte Kenntnis der theoretischen Hintergründe eine bessere Aussicht auf Erfolg. Durch diese Erkenntnis angetrieben entwickelte sich rasch ein neues fachliches Teilgebiet: die theoretische Meteorologie. Sie bestand aus der Anwendung physikalischer Grundgleichungen auf die Erdatmosphäre als thermo-hydrodynamisches System.

Da diese physikalischen Grundgleichungen zeitabhängige Differentialgleichungen sind, war aus theoretischer Sicht klar, daß deren Lösung nach Vorgabe eines Anfangszustandes und passender Randbedingungen eine Vorhersage der Zustands der Atmosphäre zu einem bestimmten, beliebig gewählten künftigen Zeitpunkt, also eine Wettervorhersage, ermöglichen würde.

Die Komplexität des vollständigen Gleichungssatzes sowie die stets notwendigerweise mit Fehlern (Messfehler!) behaftete Vorgabe eines real in der Atmosphäre existierenden Anfangszustandes stellen jedoch bis heute ein großes Problem für die Meteorologie dar. Eine allgemeine Lösung des Gleichungssatzes existiert daher nur in der Theorie. In der Praxis ist es unmöglich eine solch allgemeine Lösung für die Grundgleichungen zu finden.

Was tun mit den Gleichungen?

Um aber überhaupt etwas mit den Gleichungen anfangen zu können, können sie z.B. unter idealisierten Bedingungen oder nur für bestimmte Skalenbreiche gelöst werden. Dann fallen viele Terme in erster Näherung weg und der Gleichungssatz vereinfacht sich entscheidend. Diese Vorgehensweise wurde häufiger praktiziert und führte zu sehr tiefen theoretischen Einsichten in die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, mit Hilfe von Verfahren aus der numerischen Mathematik eine Näherungslösung für einen ziemlich allgemein gehaltenen, also nur wenig vereinfachten Gleichungssatz, Lösungen zu bestimmen. Diesen Weg ging L.F. Richardson bereits 1922 einmal mit Bleistift und Papier für einen extrem vereinfachten Gleichungssatz, aber er scheiterte an dem enormen algebraischen Rechenaufwand, der erforderlich war, um die numerische Lösung zu ermitteln.

Die Meteorologie heute

Für einige Jahre hatte man den sehr aufwendigen Ansatz von Richardson beiseite gelegt. Als jedoch das Computerzeitalter begann, erinnerte man sich seiner damaligen Ansätze. Jetzt war es plötzlich möglich, umfangreiche algebraische Berechnungen in kürzester Zeit von Rechenmaschinen durchführen zu lassen, und da diese Rechenmaschinen stetig und immer schneller an Geschwindigkeit zulegten, entwickelte sich abermals ein neues Forschungsfeld der Meteorologie - die numerische Meteorologie.

Als dann die numerischen Berechnungen ausgehend von einem bestimmten Anfangszeitpunkt für einen Zeitpunkt in der Zukunft schneller voranschritten als die real ablaufende Zeit, war der Zeitpunkt gekommen, ab dem die numerischen Wettervorhersagen ihren großen Siegeszug begannen. Und sie siegen bis heute: inzwischen basieren die meisten Wetter- und Klimavorhersagen auf den Ergebnissen von Wetter- und Klimamodellen, die auf den leistungsfähigsten Rechenanlagen der Welt gerechnet werden.

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