Das Swiss Experiment und die Zukunft der Vorhersage von alpinen ...

40 Forum für Wissen 2007
Raum mit der dritten Potenz ansteigt,
sondern dazu auch noch ein exponentieller
Anstieg der nötigen Zeitschritte
einhergeht. Zum anderen ist es neben
diesen reinen Rechenproblemen auch
noch nötig, die Prozesse auf dieser feinen
Skala besser abzubilden. Dadurch
nimmt die Komplexität der Modelle
sehr schnell zu. Weitere Schwierigkeiten
treten auf, weil teilweise die Prozesse
noch nicht gut genug verstanden
sind. Ein typisches Beispiel ist der Austausch
von Wasserdampf zwischen
Boden und Atmosphäre. Dieser Austausch
ist sehr von Bodenfeuchte,
Vegetation und Schneebedeckung abhängig.
Diese drei Parameter können
im Mittel bei einer grobauflösenden
Betrachtung auch grob parametrisiert
werden, erfordern aber eine sehr
detaillierte Beschreibung, wenn das
Modellergebnis auch in einer hohen
Auflösung erhalten werden soll. Das
Gleiche gilt für die Prozesse der Niederschlagsbildung
in den Wolken.
Kompliziert wird die Angelegenheit
schliesslich noch dadurch, dass auch
die Numerik der existierenden Modelle
nicht geeignet ist, die Prozesse z. B.
in steilem Gelände mit einer hohen
Auflösung richtig abzubilden. Insbesondere
darf bei den üblichen, geländefolgenden
Koordinaten das Geländemodell
keine Hänge steiler als ca.
40 ° aufweisen, weil sonst die Windberechnung
instabil wird. Im Alpenraum
kommen ab einer Gitterpunktsauflösung
von etwa 100 m bereits häufig
steilere Hänge vor.
An dieser Stelle kommt jetzt als Teil
der angestrebten Verfeinerung der
Auflösung eine weitere Technik ins
Spiel: Die Modellvorhersagen können
verbessert werden, indem die Berechnung
nicht nur für den Vorhersagezeitraum
durchgeführt wird, sondern in einer
Initialisierungs- und Nachrechenphase
möglichst viele Messdaten
«assimiliert» werden. Das Modell wird
dadurch gezwungen, die Wirklichkeit,
wie sie durch die Messdaten repräsentiert
wird, möglichst gut nachzubilden,
bevor dann mit den Randbedingungen
eines grösserskaligen Modells die eigentliche
Prognose berechnet wird.
Diese Assimilation ist ein weiteres intensives
Forschungsfeld und wird sehr
hoch aufgelöste Simulationen mit einer
hohen Qualität ermöglichen. Die gängige
Methode, um Rand- und Anfangsbedingungen
für lokale und hochaufgelöste
Simulationen zu schaffen, ist,
ausgehend von einem Modell für die
ganze Erdkugel, schrittweise auf feinere
Auflösungen und kleinere Gebiete
zu gehen. Die Messungen, die in das
Modell einfliessen, haben somit zwei
Funktionen: Zum einen können sie
mögliche Fehler in der grobskaligen
Modellkette korrigieren und zum anderen
können sie die feinskalige Struktur
liefern, die in der gröberen Auflösung
nicht enthalten ist.
2.2 Vorhersagen der Ereignisse und
Warnung
Die Vorhersage von Hochwasserereignissen
ist ein Kerngeschäft der Hydrologie
und wird operationell in vielen
Ländern für die grossen Flussläufe betrieben.
Es existieren aber keine operationellen
Vorhersagen für die Flussoberläufe,
also für die kleinen Einzugsgebiete
in den Alpen oder Voralpen.
Eine nennenswerte Ausnahme ist das
Pilotprojekt mit dem PREVAH Vorhersagesystem
im Glarnerland, das
auch in diesem Beitrag diskutiert wird
(ZAPPA und VOGT 2007; ZAPPA et al.
2006). Keine Vorhersagen existieren
für Murgänge, Hangrutschungen oder
Steinschläge. Für Lawinen wird die
Gefahrenstufe für den nächsten Tag
prognostiziert (RHYNER 2007), wobei
bei der Analyse der Schneedecke eine
erste Unterstützung durch ein operationelles
Modell stattfindet (LEHNING
et al. 1999), das allerdings noch nicht
eine eigentliche Prognose, basierend
auf der Wettermodellprognose, berechnet.
Ein entscheidender Grund für fehlende
Modelle ist, dass die Auslösungsprozesse
für alle spontanen Massenbewegungen,
die durch Niederschlag
ausgelöst werden, noch nicht verstanden
sind (STÄHLI und BARTELT 2007).
Somit ist der Weg zu modellbasierten
deterministischen Vorhersagen noch
weit. Es werden grosse Anstrengungen
unternommen, um diese Situation zu
verbessern. So gibt es im Rahmen des
Kompetenzzentrums für Nachhaltigkeit
und Umwelt (CCES) insgesamt
drei Grossprojekte, die das Prozesswissen
verbessern wollen, um so den
Grundstein für eine Vorhersage zu liefern.
Das Projekt TRAMM behandelt
die Auslösung von Hanginstabilitäten
und Murgängen (TRAMM: http://
www.cces.ethz.ch/projects/tramm).
APUNCH betrachtet die ganze Kette
vom Niederschlag hin zu Überschwemmungen,
Sedimenttransport und
Dammbrüchen. COGEAR erforscht
die Vorläuferzeichen von Erdbeben.
Auch wenn noch keine eigentliche
Vorhersagen existieren, werden bereits
(zu) häufig Warnungen herausgegeben
(HEGG 2007). Wie in der Lawinenwarnung
praktiziert, kann eine Einschätzung
der Gefahr durch einen Experten
aufgrund der aktuellen Situation
zusammen mit der Wettervorhersage
erfolgen (RHYNER 2007). Es hat sich
gezeigt, dass ein gutes Informationssystem
(BRÜNDL et al. 2004), das solche
Warnungen zusammen mit den aktuellen
Messdaten und den bereits getroffenen
Massnahmen zugänglich macht,
in der Bewältigung von aussergewöhnlichen
Ereignissen von grosser Hilfe
sein kann und zwar unabhängig davon,
ob eine deterministische Prognose des
Ereignisses vorliegt (ZAPPA et al. 2006)
oder nicht (ROMANG et al. 2007).
2.3 Sensortechnik,
Datenverarbeitung und
Datenverwertung
Bei vielen wissenschaftlichen Untersuchungen
ist es nötig, meteorologische
Messungen durchzuführen. Beispiele
sind in der Hydrologie, Glaziologie,
Ökologie und natürlich Meteorologie
und Klimatologie zu finden. Oft wird –
insbesondere bei Installationen in den
Bergen – dabei bestehendes Fachwissen
über geeignete Messgeräte und
Mechanik zu wenig genutzt. Dazu
kommt, dass oft die Daten nach dem
Projekt de facto verloren gehen, weil
die Information über die Art des Experiments
und die Art der Messung nicht
mehr verfügbar sind. So müssen viele
Experimente unnötig dupliziert werden.
Gleichzeitig sind die Fortschritte in
Sensortechnik und Datenverarbeitung
rasant. Drahtlose Sensornetzwerke
(CULLER et al. 2004) und Fortschritte in
der Technik der Messsensoren, erlauben
es, Umweltparameter mit sehr viel
grösserer räumlicher und zeitlicher
Auflösung zu messen. Dabei machen
auch die Fernerkundungsmethoden
Fortschritte, so dass auch von dieser