Studie bestätigt intrinsische Grenze der Wettervorhersage und zeigt verantwortliche Prozesse auf – Prognosen für mittlere Breiten können jedoch noch deutlich verbessert werden

Hochwasser und Überflutungen, aber auch Hitzewellen und Dürren: Unwetterkatastrophen und Klimaextreme fordern nicht nur Menschenleben, sondern verursachen Jahr für Jahr Sachschäden in Milliardenhöhe. Wettervorhersagen und Schutzvorkehrungen haben daher für die Gesellschaft eine enorme Bedeutung und werden in Zukunft noch wichtiger werden. Allerdings gelangt die Vorhersagbarkeit des Wetters an eine natürliche Grenze – die ist allerdings bisher nicht erreicht. „Wir haben noch großes Potenzial, um die Wetterprognosen für die mittleren Breiten weiter zu verbessern“, sagt Privatdozent Dr. Michael Riemer von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). „Aber ab einem bestimmten Punkt sind die Möglichkeiten ausgeschöpft.“ Riemer hat mit Kollegen untersucht, wie gut Wettervorhersagen im günstigsten Fall sein können. Den Berechnungen zufolge wäre ein Zugewinn von vier bis fünf Tagen bei der Prognose möglich.

Wettervorhersagen sind zuverlässiger geworden
In unseren mittleren Breiten kann die allgemeine Wetterlage derzeit für sieben bis zehn Tage im Voraus recht gut vorhergesagt werden. Das war nicht immer so. Die Qualität der Prognosen hat sich in den vergangenen Jahrzehnten wesentlich verbessert: Heute ist eine 7-Tages-Vorhersage in etwa genauso gut wie eine Vorhersage für vier Tage vor 30 Jahren. Höhere Computerleistungen und neue Beobachtungen haben in der Vergangenheit zu der verbesserten Vorhersage beigetragen, aber trotzdem sind die Prognosen in manchen Fällen noch ausgesprochen schlecht. Dies liegt nicht nur an Schwächen der Vorhersagemethoden, sondern weil in einer chaotischen Atmosphäre manche Wetterlagen per se schwer vorhersagbar sind. Großräumige Sturmtiefs lassen sich zum Beispiel etwa sieben Tage im Voraus feststellen, bei Gewittern ist der Zeitraum wesentlich kürzer. Und je weiter die Prognosen nach vorne blicken, desto größer sind die Vorhersagefehler.

Welche Prozesse sind für die Grenzen der Vorhersagbarkeit entscheidend?
Dass es eine Grenze der Vorhersagbarkeit gibt, wird bereits seit den 1960er Jahren erforscht. Denn im Gegensatz zu den Gezeiten oder der Bahn von Planeten wohnt dem System Atmosphäre ein intrinsisches Limit inne, eine natürliche, ultimative Grenze der Vorhersagbarkeit. „Die Forschung kam immer wieder zu den gleichen Ergebnissen: Die Vorhersagbarkeit beträgt im besten Fall rund zwei Wochen“, so Michael Riemer, Meteorologe am Institut für Physik der Atmosphäre der JGU.

Zusammen mit seinen Kollegen Dr. Tobias Selz und Prof. Dr. George Craig von der Ludwig-Maximilians-Universität München konnte er bestätigen, dass ein solches intrinsisches Limit existiert. Des Weiteren hat das Forscherteam untersucht, welche Prozesse dafür verantwortlich sind. „Die Vorhersagen werden“, so Riemer, „zurzeit am stärksten durch Fehler bei den Anfangsbedingungen beeinträchtigt. Wenn wir diese Anfangsbedingungen, mit denen wir unsere Computermodelle füttern, verbessern, dann werden auch die Vorhersagen besser.“

Schmetterlingseffekt spielt bisher für Wetterprognose keine Rolle
Das Team konnte anhand quantitativer Schätzungen zeigen, dass dazu die großskaligen Faktoren besser erfasst werden müssten, also Wind, Winddruck, Temperatur und der Strahlstrom. „Wir erreichen das intrinsische Limit, also die systemimmanente Grenze, wenn wir die Anfangsfehler hier um 80 bis 90 Prozent reduzieren“, so Riemer. Dadurch könnte der Zeitraum, für den zuverlässige Vorhersagen möglich sind, um vier bis fünf Tage gestreckt werden. Ist dieser 90-Prozent-Rahmen ausgeschöpft, ändert sich der Mechanismus und es sind nicht mehr die großskaligen Faktoren maßgeblich. Ab diesem Punkt dominiert der Schmetterlingseffekt das Geschehen. „Erst jetzt kommen Gewitter als Hauptträger des Schmetterlingseffekts ins Spiel.“ Dieser Effekt ist jedoch so klein, dass selbst ein schweres Gewitter die Zuverlässigkeit einer Wettervorhersage für die nächsten Tage derzeit nicht beeinflussen würde.

Potenzial ist nicht ausgeschöpft: Investitionen in die Beobachtung der Atmosphäre lohnenswert

Der Schmetterlingseffekt geht auf den US-amerikanischen Meteorologen Edward Lorenz zurück, der vor rund 60 Jahren postuliert hat, dass die Vorhersagbarkeit eines komplexen Systems wie der Atmosphäre begrenzt ist. Störungen, die zu klein sind, um beobachtet zu werden, können wachsen und das Wetter nach einer gewissen Zeit komplett verändern. „Die einzelnen Gewitterzellen sind im Grunde die Schmetterlinge in unserer Studie“, so Riemer. „Aber für eine Verbesserung der Vorhersagen müssen wir zunächst die großen Einflussfaktoren ins Visier nehmen.“ Hier würde es sich lohnen, die Beobachtung und Vermessung der Atmosphäre zum Beispiel mithilfe von Satelliten zu verbessern. Das Potenzial der Wettervorhersage ist also noch nicht ausgereizt und könnte in den kommenden Jahrzehnten noch erheblich verbessert werden.

Weiterführende Links:
https://www.staff.uni-mainz.de/mriemer/meineSeite/Welcome.html – Priv.-Doz. Dr. Michael Riemer
https://dynmet.ipa.uni-mainz.de/ – Arbeitsgruppe Dynamic Meteorology
https://www.ipa.uni-mainz.de/ – Institut für Physik der Atmosphäre

Tobias Selz, Michael Riemer, George C. Craig; The Transition from Practical to Intrinsic Predictability of Midlatitude Weather. Journal of the Atmospheric Sciences, 12. Juli 2022

Meteorologie an der Uni Mainz studieren

Der Rohbau des neuen Rechenzentrums auf dem Campus der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist nur rund neun Monate nach Baubeginn fertiggestellt. Mit dem heutigen Richtfest feierten Gäste aus Politik und Wissenschaft gemeinsam mit den Baubeteiligten die Halbzeit der Bauarbeiten. Bau- und Finanzministerin Doris Ahnen, Wissenschaftsstaatssekretär Dr. Denis Alt und JGU-Präsident Prof. Dr. Georg Krausch würdigten die Fortschritte am Rechenzentrum, welche im derzeit vorgesehenen Zeit- und Kostenrahmen liegen.

Der Neubau ist wichtig, um die universitäre IT-Infrastruktur und das Nationale Hochleistungsrechnen (NHR) erfolgreich aufrechtzuerhalten und weiterzuentwickeln. Das neue Rechenzentrum beherbergt künftig die komplette IT-Infrastruktur der Universität, die für den akademischen Betrieb und administrative Aufgaben erforderlich ist. Im Fokus stehen dabei die Sicherheit und Verfügbarkeit der Daten sowie die optimierte Performance der Systeme. Die Gesamtbaukosten belaufen sich auf rund 29 Millionen Euro, die vom Land Rheinland-Pfalz übernommen werden.

„Das heutige Richtfest ist ein weiteres Signal für die Forschungsstärke in Rheinland-Pfalz. Die vielen Baumaßnahmen in Planung und Ausführung an den Universitäts- und Hochschulstandorten in unserem Land zeigen, dass die Modernisierung und der Ausbau der Hochschulliegenschaften bedeutende Aufgaben für unser Land sind. Durch die geplante Photovoltaikanlage, die vorbereiteten Schnittstellen für die Nutzung der Abwärme zur Wärmeversorgung und die Optimierung der Energie- und Ressourceneffizienz entsteht nicht nur ein hochfunktionales, sondern auch ein nachhaltiges Rechenzentrum. Wir finanzieren den Neubau landesseitig mit 29 Millionen Euro. Eine gute Investition in den Forschungsstandort Mainz und in die Region. Das neue Rechenzentrum ist eine hervorragende Basis, um die JGU auf ihrem erfolgreichen Weg im Bereich des Hochleistungsrechnens zu unterstützen“, betont Bau- und Finanzministerin Doris Ahnen.

„Hochleistungsrechnen ist eine Schlüsseltechnologie, ohne die Spitzenforschung kaum mehr möglich ist. Mit diesem Neubau entsteht nicht nur ein technologischer Knotenpunkt. Hier entsteht ein Ort, an dem Forschung, Lehre und Innovation zusammenkommen, um wissenschaftlichen Fortschritt zu ermöglichen. Die Attraktivität des Hochleistungsrechnens kann damit gesteigert und in die Breite der Wissenschaft und in die Anwendung getragen werden, so dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Qualität des Hochleistungsrechnens für ihre eigene Forschung – auch neu – entdecken und auf vielfältige Weise nutzen können“, sagt Dr. Denis Alt, Staatssekretär im Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit.

Meilensteine erreicht: Richtfest markiert Baufortschritt

„Über den planmäßigen Baufortschritt des neuen Rechenzentrums freuen wir uns sehr“, erklärt der Präsident der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Prof. Dr. Georg Krausch. „Denn für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Mainz, Rheinland-Pfalz und auch ganz Deutschland ist eine moderne und leistungsfähige IT-Infrastruktur der Spitzenklasse unerlässlich – sei es beispielsweise das Wissenschaftsnetz Rheinland-Pfalz oder auch das vernetzte Hochleistungsrechnen als Schlüsseltechnologie für die Spitzenforschung in vielen Bereichen. So trägt die Investition in das neue Rechenzentrum des Zentrums für Datenverarbeitung (ZDV) dazu bei, dass Arbeitsgruppen, die auf leistungsstarke Hochleistungsrechner angewiesen sind, die führende Stellung auf ihren Forschungsgebieten halten und weiter ausbauen können.“

Bis zum heutigen Richtfest konnte das Generalunternehmen, die rheinland-pfälzische DC-Datacenter-Group GmbH (Data Center Group), wesentliche Arbeiten am neuen Rechenzentrum erfolgreich abschließen. Der Rohbau ist fertiggestellt, und die Stahlbühnen auf dem Flachdach sind montiert. Diese Stahlkonstruktionen tragen die bereits angelieferten sechs Rückkühler für die Warm- und Kaltwasserkühlung. Auch die Malerarbeiten im Erd- und Obergeschoss wurden termingerecht ausgeführt, mit einer Besonderheit. Aufgrund der nachfolgenden aufwendigen Installationsarbeiten musste bereits jetzt und nicht wie üblich am Ende des Bauprozesses gestrichen werden. Im Erdgeschoss wurden Teile der Wasserleitungen verlegt und auch bei den Außenanlagen hat die Data Center Group GmbH Fortschritte erzielt: Die Entwässerungskanäle und das Rückhaltebauwerk sind verlegt. Seit Baubeginn wurden insgesamt 8.450 Kubikmeter Erdreich abgetragen, bewegt und teilweise wieder eingebaut, was einer Gesamtmenge von 12.675 Tonnen entspricht.

Nach dem Richtfest stehen zunächst weitere Arbeiten im Erdgeschoss an: der Anlagenbau mit den erforderlichen Trassen für Kühlung, Lüftung und Elektro. Des Weiteren erhält das Flachdach über dem Obergeschoss eine extensive Begrünung.

„Das neue Rechenzentrum wird von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz gemäß einer Vereinbarung mit dem Landesbetrieb LBB in fachlicher Rückkopplung mit der Bauabteilung des Ministeriums der Finanzen in Eigenregie gebaut. Die gesteckten Ziele der Einhaltung des Budgets, der termingerechten Fertigstellung sowie der Gewährleistung einer optimalen IT-Infrastruktur können hierbei nach gegenwärtigem Stand über das von Land und Universität gewählte Verfahren realisiert werden“, erklärt die kommissarische Kanzlerin der JGU, Annette Seliger. „Bei der Planung dieses Neubaus haben wir unseren Fokus insbesondere auf Sicherheit und Nachhaltigkeit gelegt. Hierzu gehören zum Beispiel eine hohe Energie- und Ressourceneffizienz, innovative Ansätze zur Kühlung oder auch Wärmerückgewinnung.“

Zukünftiges Rechenzentrum setzt Maßstäbe für Universität und Wissenschaft

Das Rechenzentrum beherbergt im sogenannten Enterprise-Bereich die komplette IT-Infrastruktur der Universität und die Systeme, die für das Wissenschaftsnetz Rheinland-Pfalz und die im Rahmen der Rechenzentrumsallianz Rheinland-Pfalz (RARP) angebotenen Dienste benötigt werden. Im HPC-Bereich werden die Hochleistungsrechner MOGON NHR Süd-West und das geplante Nachfolgesystem von MOGON II untergebracht. Seit Oktober 2021 ist die JGU als Teil des länderübergreifenden Konsortiums NHR Süd-West einer der Betreiber der NHR-Infrastruktur in Deutschland.

Sicherheit hat höchste Priorität

Damit die Universität jederzeit Forschung, Lehre und Studium sicherstellen kann, sind ausfallsichere Systeme von großer Bedeutung. Der Neubau ist so konzipiert, dass der IT-Betrieb eine nahezu 100-prozentige Ausfallsicherheit gewährleisten kann und kritische Dienste wie E-Mail, Lernmanagement-Systeme und Datenbanken immer verfügbar sind. Im Zentrum des Rechenzentrums befinden sich die Serverräume. Diese sind von Fluren umgeben, an die die notwendigen Technikräume wie Transformatoren, Mittelspannungshauptverteilung (MSHV), unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Gaslöschanlage, Notstromaggregat und Sicherheitstechnik anschließen.

Zum Schutz sensibler und vertraulicher Daten wie Forschungsergebnisse, personenbezogene Daten von Studierenden und Mitarbeitenden wird auf vier vordefinierte Schutzzonen gesetzt. Der Zugang zum Gebäude und insbesondere zu den Serverräumen ist nur über ein Zutrittskontrollsystem mit Schleusenfunktion möglich.

Nachhaltige Entwicklung am Campus konsequent fortgesetzt

Eine optimale Temperatur im Rechenzentrum ist von besonderer Bedeutung. Die vielen Server erzeugen eine enorme Wärme, die zu einer Überhitzung und Serverausfällen führen kann. Um diesem Problem entgegenzuwirken, werden etwa 80 Prozent der Kühlung mit einem geschlossenen Wasserkreislauf realisiert, ohne den Einsatz von Kompressorkältemaschinen. Dieses Verfahren spart Energie und ist besonders effizient. Zusätzlich werden Vorkehrungen getroffen, um in Zukunft einen großen Teil der Abwärme weiterverwenden zu können.

Auf der freien Dachfläche werden Photovoltaik-Module installiert. Die Jahresleistung der Solaranlage lässt sich auf ca. 73.000 kWh abschätzen und würde ausreichen, um ca. 20 Einfamilienhäuser über das Jahr mit Strom zu versorgen.

Neubau ist Voraussetzung für weitere Baumaßnahmen auf dem Campus

Ein Umzug der IT-Infrastruktur ist aus baulichen und energetischen Gesichtspunkten notwendig. Die Verwaltung des ZDV und die Büros des ZDV-Personals bleiben in der Naturwissenschaftlichen Fakultät (NatFak – Gebäude 1341) in der sich momentan auch der aktuelle Serverraum befindet. Nach dem Umzug stehen in dem Raum Ressourcen für den Fall eines Hardwareausfalls zur Verfügung. Darüber hinaus ist eine Renovierung des Gebäudes 1341 geplant. Für die komplette Fertigstellung des neuen Rechenzentrums rechnet die Bauleitung mit rund zwei Jahren. Es soll Mitte 2025 in Betrieb gehen.

Daten und Fakten:

Gesamtfläche des Gebäudes: 1.870 Quadratmeter
So groß wie ca. ¼ Fußballfeld
Baukosten: 29 Millionen Euro
PUE-Wert: ≤ 1,15
Die Kenngröße für die Energieeffizienz von Rechenzentren ist die Power Usage Effectiveness (PUE). Sie ermittelt, wie effektiv die zugeführte Energie in einem Rechenzentrum verbraucht wird. Bei der Konzeption wurde darauf geachtet, einen möglichst niedrigen Wert zu erreichen.
32 Serverschränke im Enterprise-Bereich und 112 Serverschränke im HPC-Bereich (davon maximal 84 gleichzeitig in Betrieb)
Maximale IT-Last: 3.600 kW
Moderne Windräder haben eine Erzeugerleistung von ca. 5.000 kW.
Photovoltaik-Module mit einer Leistung von 73 KWp
Die Jahresleistung der Solaranlage lässt sich auf ca. 73.000 kWh abschätzen und würde ausreichen, um ca. 20 Einfamilienhäuser ein Jahr mit Strom zu versorgen.
DIN EN 50600: aktuelle europäische Norm für Rechenzentren und deren Infrastruktur.
Die Norm legt Anforderungen bzgl. Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Rechenzentren fest. Dazu gehören unter anderem Anforderungen an Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung von Rechenzentren sowie Anforderungen an die Gebäudetechnik, die Infrastruktur und die IT-Systeme in einem Rechenzentrum. Des Weiteren werden Themen wie Energieeffizienz, Umweltschutz und Nachhaltigkeit im Zusammenhang mit dem Betrieb von Rechenzentren berücksichtigt.
Nach der DIN EN 50600 gibt es vier Verfügbarkeitsklassen.
Verfügbarkeitsklassen sind Kategorien, die den Grad der Zuverlässigkeit und des Ausfallschutzes von IT-Systemen beschreiben. Je höher die Verfügbarkeitsklasse, desto geringer ist das Risiko eines Ausfalls und desto höher ist die Sicherheit für den Nutzer.
Rechenzentrumsbereiche: Enterprise (Verfügbarkeitsklasse 3) und High Performance Computing (Verfügbarkeitsklasse 2)

Nachhaltigkeit
Verzicht auf Verbundbaustoffe wie zum Beispiel Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) und beschichtete Holzwerkstoffe, um einen sortenreinen Rückbau zu ermöglichen. Die verwendeten Materialien können so wieder in den Stoffkreislauf zurückgeführt werden.
Geringe Versiegelung der Außenanlagen: Für notwendige Wartungs- und Umfahrungsflächen kommen versickerungsfähige Rasengittersteine zum Einsatz.
Das gesamte Regenwasser wird zurückgehalten und in Erdmulden geleitet, wo es verdunsten oder wiederverwendet werden kann.
Die Anzahl und Auswahl der Bäume und Bepflanzungen wurden dem Standort angepasst.

Die Medizinethikerin Bettina Schöne-Seifert ist die Inhaberin der 24. Johannes GutenbergStiftungsprofessur. An der Universität Mainz wird sie in einer öffentlichen Vorlesungsreihe im Sommersemester 2024 in zehn Vorträgen ethische Fragen der modernen Medizin, um die gegenwärtig gerungen wird, diskutieren und erhellen. Die Vorlesungsreihe beginnt mit der Eröffnungsveranstaltung am Dienstag, dem 23. April 2024, auf dem Campus der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Neun weitere Vorlesungen im größten Hörsaal der Universität schließen sich jeweils am Dienstagabend an.

Die Medizinethikerin Bettina Schöne-Seifert ist Seniorprofessorin an der Universität Münster, wo sie von 2003 bis 2023 den Lehrstuhl für Medizinethik der Medizinischen Fakultät innehatte und zudem kooptiertes Mitglied des Philosophischen Seminars war. Zuvor war sie Gastdozentin an der Zentralen Einrichtung für Wissenschaftstheorie und Wissenschaftsethik der Universität Hannover.

Ausgebildet als Medizinerin und Philosophin, hat Bettina Schöne-Seifert maßgeblich zur Etablierung moderner medizinethischer Kontroversen in Deutschland beigetragen und äußert sich nicht selten in öffentlichen Debatten. Ihre Arbeitsschwerpunkte betreffen klassische Fragen am Anfang und Ende des Lebens, ethische Neulandfragen der Gen- oder Neurotechnik, aber auch grundlegendere Themen wie Autonomie und Paternalismus, die Wissenschaftlichkeit moderner Medizin oder Fragen ethischer Normenbegründung. Sie war tätig als Mitglied des Nationalen und des Deutschen Ethikrats, als Mitglied der Münsteraner Kollegforschergruppe „Normenbegründung in Medizinethik und Biopolitik“ und als Initiatorin des Münsteraner Kreises zur Verteidigung wissenschaftsorientierter Medizin. Gegenwärtig ist sie Mitglied des International Bioethics Committee der UNESCO.

Bettina Schöne-Seifert war Max-Planck-Fellow und Fellow am Wissenschaftskolleg zu Berlin. Zudem ist sie Mitglied der Niedersächsischen Akademie der Wissenschaften zu Göttingen, der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina und der Academia Europaea sowie Fellow des Hastings Center. Sie ist Trägerin des Arthur-Burckhardt-Preises zur Förderung der Geistes- und Naturwissenschaften und erhielt 2020 den Bielefelder Wissenschaftspreis.

Zur Vorlesungsreihe In ihren Vorlesungen wird Bettina Schöne-Seifert Fragen nach dem richtigen Handeln diskutieren, die sich für unsere heutige Gesellschaft und die moderne Medizin neu oder anders stellen als in früheren Zeiten. Wie selbstbestimmt dürfen wir sterben? Ist medizinische Versorgung ein Menschenrecht? Sollte Embryonenforschung ein deutsches Tabu bleiben? Zehn aktuelle und strittige Themen stehen im Zentrum der Vorlesungen, die erläutern werden, was jeweils genau in Frage steht und welchen Beitrag die Ethik zu den Antworten leisten kann, über die wir uns verständigen müssen.

Zur Vorlesungsreihe
Die Eröffnungsveranstaltung findet am Dienstag, dem 23. April 2024, um 18:15 Uhr im Hörsaal RW1 auf dem Campus der Johannes Gutenberg-Universität Mainz statt.
Die weiteren neun Vorlesungen finden in den folgenden Wochen jeweils dienstagabends um 18:15 Uhr statt (mit Ausnahme von Dienstag, den 30. April 2024). Die Vorlesungsreihe endet mit der Abschlussveranstaltung am Dienstag, dem 2. Juli 2024.
Aktuelle Informationen zur Veranstaltung finden Sie vor Vorlesungsbeginn auf der Webseite der Stiftung „Johannes Gutenberg-Stiftungsprofessur“:
https://www.stiftung-jgsp.uni-mainz.de/