Neues mathematisches Verfahren deckt Wettermuster effektiver auf Mathematik hilft „Wetterfröschen“ - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neues mathematisches Verfahren deckt Wettermuster effektiver auf

Mathematik hilft „Wetterfröschen“

Ein Leipziger Nachwuchsforscher hat ein neues mathematisches Verfahren entwickelt, mit dem Muster in Wetterdaten besser erkannt werden können. Bisherige Methoden gingen von Klima-Oszillationen aus, also von Schwankungen um einen mittleren Wert. Die neue Methode benutzt dagegen eine Überlagerung von so genannten nichtnegativen Elementen und ist so geeigneter zur Beschreibung des Klimawandels.

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Damit ist es möglich, meteorologische Muster aus diesen Elementen zusammenzusetzen. Die Muster sind auch eine Erklärung für atmosphärische Fernwirkungen zwischen weit entfernten Regionen der Erde. Zu diesen so genannten Telekonnektionen gehören beispielsweise die bekannten Phänomene El Niño bzw. La Niña im Südpazifik.

NAO bestimmt Winterwetter

In Europa ist die bekannteste Telekonnektion die Nordatlantische Oszillation (NAO). Darunter verstehen Meteorologen das Phänomen, dass bei besonders tiefem Luftdruck über Island gleichzeitig besonders hoher Luftdruck über den Azoren herrscht. Dieser Effekt prägt vor allem im Winter die Witterung in Mitteleuropa und sorgt für warme und niederschlagsreiche Winter.

Erlebt Mitteleuropa einen solchen milden Winter, dann herrscht im Mittelmeerraum Trockenheit. Ist die NAO hingegen weniger stark ausgeprägt, dann gibt es in Mitteleuropa einen kalten Winter und es regnet im Mittelmeerraum besonders viel.

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Neue Telekonnektionen identifiziert

Mit der neuen Methode ist es nun möglich, diese Phänomene detaillierter zu untersuchen als zuvor. So fanden die Forscher beispielsweise bereits Hinweise darauf, dass die NAO mit einem anderen Muster, der Pazifisch-Nordamerikanischen Oszillation (PNA), zusammenhängt. Wahrscheinlich spielen auch die Labradorsee, der westliche subtropische Atlantik und Osteuropa eine Rolle.

„Mit der neuen Methode konnten wir auch völlig neue Telekonnektionen erkennen. Zum Beispiel tritt bei hohem Luftdruck über dem Nordpazifik auch hoher Luftdruck über den Schottischen Inseln auf. Das war bisher noch nicht bekannt“, berichtet Alexander Thiem, der von Professor Bernd Engelmann von der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig betreut wurde und zur Zeit am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) arbeitet.

Großwetterlagen beeinflussen Gesundheit

Großwetterlagen haben starken Einfluss auf die menschliche Gesundheit. So dauert zum Beispiel im Sommer heißes Wetter bei stabilen Hochdruckwetterlagen lange an.

„Geschwächte Menschen leiden dann stärker unter den hohen Temperaturen und unter dem Smog, da sich bei den austauscharmen Hochdruckwetterlagen mehr Schadstoffe in der Luft anreichern als sonst. Die Anzahl der Todesfälle steigt deutlich. Der Statistik zufolge sind im Hitzesommer 2003 in Frankreich und Italien über20.000 Menschen mehr als sonst gestorben“, erklärt Professor Uwe Schlink vom UFZ, der die Auswirkungen von Wetterschwankungen und Wetterlagen auf die direkte menschliche Umwelt in Stadtgebieten und Innenräumen und auf die menschliche Gesundheit untersucht.

Anpassungsstrategien auf der Spur

Vorbild für die neue Methode war die so genannte Nicht-negative Matrix-Faktorisierung (NMF). Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Mustererkennung, das US-Wissenschaftler vor einigen Jahren vorgestellt hatten. Seitdem wurde diese Methode zum Beispiel zur Erkennung von Gesichtern, Schadstoffbelastungsmustern und Schadstoffquellen und nun auch für Wettermuster genutzt. Künftig wollen die Forscher herausfinden, wie sich die additive Überlagerung der gefundenen Muster für die Entwicklung von Anpassungsstrategien nutzen lässt.

Preis für neues mathematisches Verfahren

Für sein neues mathematisches Verfahren hat Thiem mittlerweile den „Preis des Fördervereins 2010“ der HTWK Leipzig erhalten. Das neue Rechenverfahren entstand in enger Kooperation mit dem Institut für Meteorologie der Universität Leipzig und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ).

(Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ, 20.01.2011 – DLO)

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