#DWD -> #Thema des Tages 2021-07-16: Lorenz und der Schmetterlingseffekt

Thema des Tages

Lorenz und der Schmetterlingseffekt

Im Folgenden sollen kurz die herausragenden Erkenntnisse von Edward 
Lorenz dargestellt werden, die gerade für die Meteorologie 
Pioniercharakter in Bezug auf das grundlegende Verständnis 
atmosphärischer Prozesse haben. 

Edward Norton Lorenz, (geboren am 23. Mai 1917 in West Hartford, 
Connecticut, USA, gestorben am 16. April 2008 in Cambridge, 
Massachusetts, USA) war ein amerikanischer Mathematiker und 
Meteorologe. Lorenz galt und gilt als der Pionier und Entdecker des 
grundlegenden Mechanismus sowie der Formulierung des so genannten 
deterministischen Chaos (also nur bedingt vorhersagbare Prozesse), 
was andererseits eines der Prinzipien der Komplexität gerade bei den 
der Wettervorhersage zugrundeliegenden physikalischen Prozessen in 
der Atmosphäre darstellt. In diesem Zusammenhang soll auch auf das 
Thema des Tages vom 01.07.2021 verweisen werden 
(https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2021/7/1.html). 
Nachdem er am "Dartmouth College" und an der "Harvard University" 
Mathematik studiert hatte, wandte sich Lorenz 1942 beim U.S. Army Air
Corps mehr und mehr der numerischen Wettervorhersage zu. Nach dem 
Zweiten Weltkrieg wurde er Forscher am "Massachusetts Institute of 
Technology", wo er den Master- (1943) und Doktortitel in Meteorologie
(1948) erwarb, aber auch weiterhin in der Lehre tätig war. Später 
wurde er dann Leiter der meteorologischen Abteilung des Instituts.
In den frühen 1960er Jahren entdeckte Lorenz, dass die 
atmosphärischen Prozesse gerade aufgrund thermodynamischer 
Gesetzmäßigkeiten in deren zeitlichem Ablauf nichtlineare Strukturen 
(keine einfache bzw. abhängige Abfolge von Prozessen) aufweisen. 
Diese Eigenschaft ist auch als sensitive bzw. stark empfindliche 
Abhängigkeit der zeitlichen Entwicklung diverser Kenngrößen (auch 
Parameter genannt) von den jeweiligen Anfangsbedingungen bekannt 
(siehe auch Thema des Tages vom 01.07.21). 

Lorenz konstruierte unter anderem ein Wettermodell, das zeigte, dass 
zwei sehr nahe beieinanderliegende bzw. benachbarte Ausgangspunkte 
(oder Parameter), die das aktuelle Wetter anzeigen, in ihren Bahnen 
(kennzeichnend für die dynamische Veränderung der Parameter) zeitlich
ziemlich schnell auseinanderdriften und recht häufig in 
unterschiedlichen Strukturen enden, die entweder ruhigem oder eben 
stürmischem Wetter entsprechen. 

Dieses Phänomen, das eine langfristigere Wettervorhersage scheinbar 
unmöglich macht, erklärte er der Öffentlichkeit als 
"Schmetterlingseffekt": In China schlägt ein Schmetterling mit seinen
Flügeln, was ein paar Tage später zu unvorhersehbaren Veränderungen 
des Wetters in den USA führt. Für seine bahnbrechenden Arbeiten 
(seine Erkenntnisse wurden 1963 in einem Artikel mit dem Titel 
"Deterministic Nonperiodic Flow" veröffentlicht) erhielt Lorenz 1983 
den Crafoord-Preis der Königlich Schwedischen Akademie der 
Wissenschaften und wurde 1991 mit dem Kyoto-Preis ausgezeichnet.

Abschließend lässt sich festhalten, dass einerseits viele Prozesse in
der Atmosphäre, die mit dem Eintrag von Wärmeenergie (fühlbare und 
latente Wärme) verbunden sind, prinzipiell die Unordnung oder 
Entropie des Gesamtsystems teilweise bzw. regional differenziert 
erhöhen können. Dieser Faktor wirkt daher immer limitierend auf den 
zeitlichen Verlauf der Prognosegüte. Andererseits gelingt es der 
modernen Meteorologie dank verfeinerter Fern- und 
Naherkundungsverfahren sowie exakterer Darstellung der physikalischen
Prozesse in den Wettermodellen immer besser, sowohl die 
Anfangsbedingungen genauer zu erfassen als auch die Vorhersagefehler 
gerade in der kurz- und mittelfristigen Wettervorhersage (auch durch 
kontinuierliche Datenerfassung und entsprechende Modellanpassung) zu 
reduzieren. Damit wird auch die von Lorenz beschriebene Unschärfe 
längerfristiger Vorhersagen zumindest etwas verringert. 


Dipl.-Met. Dr. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 16.07.2021

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