Wettervorhersagen zu verbessern und gleichzeitig den Rechenaufwand zu verringern, um Kosten und Energie einzusparen – das sind die Ziele des Projekts ASPIRE. Der Meteorologe Dr. Julian Quinting vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nutzt dafür wiederkehrende Signale im tropischen Pazifik, die einen wichtigen Einfluss auf die atmosphärische Zirkulation in Europa haben. Zudem entwickelt er Modelle des Maschinellen Lernens, die Effekte einer hohen Auflösung nachahmen. Für sein Projekt erhält der Nachwuchswissenschaftler nun einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC).
Angesichts von Energiekrise und Klimawandel wächst die Bedeutung verlässlicher Wettervorhersagen für Zeiträume zwischen zwei Wochen und zwei Monaten. So ist es wichtig zu wissen, wo die Temperaturen in vier Wochen liegen werden, um den Heizbedarf für Gebäude abzuschätzen und die Gasspeicher entsprechend aufzufüllen. Auch gilt es, Wetterextreme wie Hitzewellen, Dürren oder Überschwemmungen möglichst genau vorherzusagen, damit Behörden und Öffentlichkeit rechtzeitig Maßnahmen ergreifen können, um Schäden zu verhindern oder zu begrenzen. Mit Vorhersagen auf der genannten Zeitskala, sogenannten subsaisonalen Prognosen, befasst sich Dr. Julian Quinting vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung des KIT in seinem neuen Projekt ASPIRE (steht für: Advancing Subseasonal PredIctions at Reduced computational Effort). Der Europäische Forschungsrat (European Research Council – ERC) fördert das Vorhaben mit einem Starting Grant.
Wiederkehrende Muster mit hoher Vorhersagbarkeit
Dem ausgezeichneten Nachwuchswissenschaftler und seiner zukünftigen Arbeitsgruppe geht es nicht nur darum, die Präzision der Prognosen zu verbessern, sondern auch darum, den Rechenaufwand zu verringern, um die Kosten sowie den Energieverbrauch zu senken und damit auch die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. „Meine grundlegende Idee besteht darin, Quellen im Atmosphärensystem mit hoher intrinsischer Vorhersagbarkeit besser zu nutzen“, erklärt Quinting. „Solche Quellen sind beispielsweise wiederkehrende Muster in der Atmosphäre, die auf der Zeitskala von zwei Wochen bis zwei Monaten variieren.“ Für besonders vielversprechend hält der Meteorologe wiederkehrende Signale im tropischen Pazifik, die einen wichtigen Einfluss auf die atmosphärische Zirkulation in Europa nehmen. Diese Signale in den Tropen sind jedoch in numerischen, das heißt mit konkreten Zahlen arbeitenden Wettervorhersagemodellen nur fehlerhaft wiedergegeben, sodass sich die ihnen innewohnende Vorhersagbarkeit nicht nutzen lässt. In ASPIRE beabsichtigt Quinting zunächst, die Repräsentation dieser Signale durch eine hohe räumliche Auflösung von Wettervorhersagen in den Tropen zu verbessern. Diese hohe räumliche Auflösung erfordert allerdings einen großen Rechenaufwand. Daher entwickelt Quinting mit seiner Arbeitsgruppe in einem zweiten Schritt Modelle des Maschinellen Lernens, welche die Effekte der hohen Auflösung nachahmen. Dies ermöglicht, den Rechenaufwand zu verringern.
in den mittleren Breiten verlässlicher zu machen – darauf zielt das Projekt ASPIRE.
(Abbildung: Dr. Julian Quinting; Daten: NOAA)
Neue Möglichkeiten für Wetterdienste
„In ASPIRE wollen wir zeigen, welches Potenzial in lokal räumlich hoch aufgelösten Simulationen steckt“, sagt Quinting. „Idealerweise werden Wetterdienste vorhandene Rechenkapazitäten noch besser ausschöpfen können.“ Wenn sich der gewählte Ansatz als erfolgreich erweist, könnte die Klimaforschung ihn auch auf andere Komponenten des Atmosphärensystems anwenden, die ebenfalls eine hohe intrinsische Vorhersagbarkeit aufweisen, aber in Wettervorhersagemodellen bisher fehlerhaft repräsentiert sind.
ERC Starting Grants 2022
Der ERC fördert mit Starting Grants exzellente Nachwuchsforschende, die eine unabhängige Karriere starten und eine eigene Arbeitsgruppe aufbauen wollen. Jedes ausgewählte Projekt wird bis zu fünf Jahre lang mit bis zu 1,5 Millionen Euro unterstützt. Unter bestimmten Voraussetzungen können beispielsweise für Equipment oder den Zugang zu Infrastrukturen bis zu eine Million Euro zusätzlich beantragt werden. In der Ausschreibungsrunde 2022 hat der Europäische Forschungsrat Starting Grants an insgesamt 408 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben, die in 26 europäischen Ländern forschen, 81 von ihnen in Deutschland. Das Gesamtfördervolumen der ERC Starting Grants 2022 beträgt 636 Millionen Euro. Eingegangen waren 2932 Anträge; die Bewilligungsquote beträgt damit etwa 13,9 Prozent.
Details zum KIT-Zentrum Klima und Umwelt
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.