Saarbrücken: Das Blitz-Programm der Saar-Universität

Saarbrücken : Das Blitz-Programm der Saar-Universität

Zwei Informatiker der Saar-Uni entwickeln für den Deutschen Wetterdienst ein Programm zur Vorhersage von Gewittern.

Rund 450 000 Mal schlägt in Deutschland der Blitz ein, zeigt der Blitz-Atlas des Industriekonzerns Siemens. Am häufigsten trifft es dabei die Bundesländer Hessen und Sachsen mit zwei Blitz­einschlägen pro Quadratkilometer im Jahr, das Saarland (1,2) liegt nach dieser Auswertung, die auf Messungen des Jahres 2017 basiert, im Mittelfeld. Am wenigsten müssen sich die Einwohner Bremens (0,5) vor Blitz und Donner fürchten. Über 100 Verletzte und ein halbes Dutzend Todesfälle sind in Deutschland in jedem Jahr durch Blitzschlag zu beklagen, berichtet die Stiftung Kindergesundheit.

Auch wenn das Risiko eines Einschlags also recht gering ist, können seine Konsequenzen dramatisch sein. Ein Alarmsystem, das rechtzeitig vor Blitz und Donner warnt, könnte Leben retten – doch bisher kann der Wetterdienst vor dem Ausbruch eines Gewitters nur ganz allgemein warnen. Präzise Warnmeldungen für einen Ort am Boden sind erst möglich, wenn am Himmel der erste Blitz registriert wurde. Besser wäre es, die Warnung würde schon erfolgen, wenn sich die Wolkengebirge aufbauen, lange bevor daraus der erste Blitz zu Boden schießt.

Ein solches System entwickeln jetzt Informatiker der Saar-Uni in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst. Es soll in der Lage sein, Gewitter vor dem Ausbruch zu erkennen, erklärt der Informatikprofessor Jens Dittrich. Dittrich ist Spezialist für die Analyse großer Datenmengen und Datenbanken an der Saar-Uni und hat mit seinem Doktoranden Christian Schön ein Warnsystem entwickelt, das die Unwettervorhersage des Deutschen Wetterdienstes (DWD) verbessern soll. Der DWD betreibt ein dichtes Netz aus Messstationen und Wettersatelliten, die alle fünf Minuten meteorologische Beobachtungsdaten für die Unwettervorhersage liefern. Die stößt bisher jedoch an Grenzen. „Wird das Zeitfenster für die Vorhersage größer als eine Stunde, steigt die Wahrscheinlichkeit für Fehlalarme erheblich“, erklärt Dittrich.

Wie entsteht ein Blitz? Dazu gehört eine Gewitterwolke, in der starke Aufwinde kleine Eisteilchen nach ganz oben reißen, erläutert der Deutsche Wetterdienst. Beim Kontakt der Eiskristalle mit normalen Wassertropfen werden elektrische Ladungen getrennt. Schwere Wassertropfen unten in der Wolke sind danach negativ geladen, die Eis­teilchen am oberen Rand positiv. Dabei können Spannungen von mehreren Millionen Volt auftreten. Blitze, die sowohl zwischen Wolken als auch zwischen Wolken und dem positiv geladenen Erdboden verlaufen können, gleichen diese Ladungsdifferenzen aus.

Gewitterwolken, Meteorologen nennen sie Cumulonimbus, die sich in kurzer Zeit durch die nach oben schießende warme Luft bilden, sind das Schlüsselelement zur Vorhersage der Saarbrücker Forscher. „Im Grunde ist die Sache simpel“, erklärt Christian Schön. „Gewitterwolken erscheinen auf Satellitenbildern umso heller, je höher sie aufsteigen.“ Und das, so ergänzt Jens Dittrich, ermögliche es wiederum einem Computerprogramm, aus zweidimensionalen Fotos eines Wettersatelliten dreidimensionale Informationen zu gewinnen. „Wir können jetzt erkennen, wo Wolken in die Höhe schießen.“

Technisch wird die Auswertung dann doch ein wenig komplizierter, weil Helligkeitsveränderungen bei Wolken verschiedene Ursachen haben können. Die Saarbrücker Informatiker verwenden eine mit Verfahren des maschinellen Lernens trainierte Prognose-Software, die aus mehreren Fotos eines Wettersatelliten zuerst das in den kommenden 15 Minuten zu erwartende Bild der Wolkenoberfläche über einem bestimmten Punkt der Erde berechnet. Wenn das nächste, echte Foto des Satelliten charakteristische Helligkeitsabweichungen von dieser Vorhersage zeigt, „dann wissen wir, hier schießt eine Wolke nach oben“, erklären die Informatiker.

Auf der Basis dieser Messwerte errechnet die Saarbrücker Software schließlich eine Prognose für Blitz und Donner. Die ersten Ergebnisse seien sehr vielversprechend, erklärt Richard Müller vom Deutschen Wetterdienst in Offenbach.

Mindestens sechs Semester benötigt ein Student bis zum Bachelor-Abschluss in Meteorologie. Das Blitz-und-Donner-Programm der Saar-Universität, das seit 18 Monaten entwickelt wird, wird bis zu seinem Abschluss möglicherweise ebenso lange meteorologische Datenreihen studieren müssen, berichten Dittrich und Schön. Denn die Software muss lernen wie ein Student. Und auch da gilt: Aller Anfang ist schwer. Zwar sei ihre Gewittervorhersage mit einer Genauigkeit von 96 Prozent für ein fünf mal fünf Kilometer messendes Quadrat am Erdboden kaum noch zu verbessern, und mit 83 Prozent sei auch die Trefferquote der Fünf-Stunden-Prognose beachtlich. Doch die Trefferrate allein sagt nicht genug über die Zuverlässigkeit einer Prognose aus. Ebenso wichtig ist die Quote der Fehlalarme. Und da müsse das Lernmodul dieses Programms eben noch nachsitzen. „Unsere Rate von sechs Prozent Fehlalarmen ist noch zu hoch“, erklären Jens Dittrich und Christian Schön selbstkritisch. „Doch das werden wir jetzt verbessern.“ Das Bundesverkehrsministerium ist davon überzeugt, dass dies gelingen kann. Es fördert die Entwicklung der Saarbrücker Informatiker mit 270 000 Euro.

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