Neuronale Netze 21.06.2019, 07:02 Uhr

Künstliche Intelligenz verbessert Wettervorhersagen

Die Meteorologie hat nicht nur für die Landwirtschaft eine hohe Relevanz. Auch viele Wirtschaftszweige profitieren von zuverlässigen Wetterdaten – Forschern des KIT ist es jetzt gelungen, die Vorhersagemethoden zu verbessern.

Foto Wolken am Himmel

Am Himmel braut sich etwas zusammen. Dennoch ist es schwer, exakt zu berechnen, wann es regnet.

Foto: Mike Adams / Panthermedia.net

Die Entstehung des Wetters ist komplex. Fast schon sprichwörtlich ist der Schmetterling, dessen Flügelschlag eine Kette von Ereignissen auslöst – die am anderen Ende des Globus zu einem Wetterumschwung führen können. Das Grundproblem ist die hohe Anzahl an Faktoren, die sich zudem gegenseitig beeinflussen, unter anderem Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und sich bewegende Luftmassen. Auch die Sonneneinstrahlung und die Meeresströmungen müssen in die Berechnungen für Wettervorhersagen einfließen. Die Aufgabe der Meteorologen ist es, die wahrscheinlichste Entwicklung aus all diesen Komponenten herauszufiltern. Wissenschaftler aus Meteorologie und Mathematik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine Methode entwickelt, um Fehler in solchen Prognosen besser korrigieren zu können. Als Basis dient künstliche Intelligenz.

50 Szenarien für jede Messgröße

Das Prinzip der Wettervorhersagen ist einfach: Die Forscher messen zahlreiche Faktoren, die den aktuellen Zustand der Atmosphäre wiedergeben. Auf dieser Grundlage simulieren sie mögliche Szenarien, indem sie in ihrem Modell beispielsweise die Temperatur oder die Luftfeuchtigkeit verändern und die daraus resultierenden Entwicklungen berechnen. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig. Denn für jede Messgröße werden etwa 50 Szenarien durchgespielt. „Ähneln sich die Ergebnisse, deutet das darauf hin, dass eine Prognose mit diesen Werten relativ sicher und der Zustand der Atmosphäre in diesem Bereich stabil und gut vorhersagbar ist“, sagt Peter Knippertz vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung des KIT.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektleiter (w/m/d) Straßenbau in Donaueschingen Die Autobahn GmbH des Bundes
Freiburg im Breisgau, Donaueschingen Zum Job 
Menlo Systems GmbH-Firmenlogo
Development Engineer (m/f/d) for photonic integrated circuitry (PIC) Testing & Packaging Menlo Systems GmbH
Planegg Zum Job 
Siegfried PharmaChemikalien Minden GmbH-Firmenlogo
Expert*in Computersystemvalidierung (CSV) Siegfried PharmaChemikalien Minden GmbH
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.-Firmenlogo
Versorgungsingenieur/in oder Elektroingenieur/in (w/m/d) Projektsteuerung von Baumaßnahmen als Baumanager/in in der Bauherrenfunktion Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
Stadtwerke Wiesbaden Netz GmbH-Firmenlogo
Planungsingenieur (m/w/d) Elektrische Verteilnetze Stadtwerke Wiesbaden Netz GmbH
Wiesbaden Zum Job 
Stadt Bochum-Firmenlogo
Bauingenieurinnen / Bauingenieure (w/m/d) Stadt Bochum
Dräger Safety AG & Co. KGaA-Firmenlogo
Vertriebsingenieur / Vertriebsmitarbeiter Gasmesstechnik / Sicherheitstechnik (m/w/d) Dräger Safety AG & Co. KGaA
Düsseldorf, Leverkusen, Köln Zum Job 
Jacobs-Firmenlogo
Civil Supervisors (m/w/d) für die Bereiche Rohbau/ Innenausbau/ Tiefbau & Infrastruktur/ baulicher Brandschutz Jacobs
Duisburg Zum Job 
Jacobs-Firmenlogo
Assembly Supervisors (m/w/d) für die Bereiche Instrumentierung/ Elektrotechnik/ Mechanik/ Rohrleitungsbau/ Stahlbau/ Kabeltragsysteme Jacobs
Duisburg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektleiter (w/m/d) Straßenbau Die Autobahn GmbH des Bundes
Freiburg im Breisgau Zum Job 
ProMinent GmbH-Firmenlogo
Sales Engineer (m/w/d) - Customized Projects ProMinent GmbH
Heidelberg Zum Job 
ProMinent GmbH-Firmenlogo
Technischer Redakteur (m/w/d) ProMinent GmbH
Heidelberg Zum Job 
ProMinent GmbH-Firmenlogo
Ingenieur für Verfahrens- & Applikationsentwicklung (m/w/d) ProMinent GmbH
Heidelberg Zum Job 
KNDS Deutschland GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Technischer Projektleiter (m/w/d) Panzerhaubitze 2000 KNDS Deutschland GmbH & Co. KG
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur Planung Ingenieurbauwerke (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Stuttgart Zum Job 
Jost Hurler Beteiligungs und Verwaltungs GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Projektmanager Bau (m/w/d) Jost Hurler Beteiligungs und Verwaltungs GmbH & Co. KG
München Zum Job 
KNDS Deutschland GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Softwareentwickler (m/w/d) Embedded Systems KNDS Deutschland GmbH & Co. KG
KNDS Deutschland GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Qualitätssicherung - Spezialist Supplier Quality (m/w/d) KNDS Deutschland GmbH & Co. KG
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)-Firmenlogo
Ingenieur*in (w/m/d) Verfahrenstechnik für innovative Wasserstofftechnologien Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)
Greifswald Zum Job 
WAHL GMBH-Firmenlogo
Bauleiter Abbruch (m/w/d) WAHL GMBH
Remagen Zum Job 

Wetterprognosen beschreiben also Wahrscheinlichkeiten. Das ist bekannt. Doch sie sind mit einem weiteren Problem behaftet: Es gibt systematische Unsicherheiten, die zum Teil die Ergebnisse verzerren. „Die Computerszenarien können manche physikalische Zusammenhänge nicht in der notwendigen Detailtiefe oder räumlichen Auflösung abbilden“, sagt Sebastian Lerch vom Institut für Stochastik des KIT. Ein gutes Beispiel dafür ist die Vorhersage von Temperaturen. An manchen Orten fallen die Prognosen grundsätzlich zu hoch aus, an anderen hingegen zu niedrig. Denn in den Modellen werden lokale, teils zeitlich variable Abweichungen nicht eingezogen. Im Anschluss an die Simulation sind daher zum einen die Experten gefragt, die mit ihrer Erfahrung und ihrem Hintergrundwissen die Ergebnisse interpretieren müssen. Zum anderen werden zusätzliche statistische Verfahren eingesetzt, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Prognosen tatsächlich eintreten.

Das Netzwerk speichert alle Informationen und lernt daraus

Die Forschergruppe hat einen neuen Ansatz entwickelt. Als Basis dienen neuronale Netze, also Computerprogramme, die Informationen nach dem Vorbild des Gehirns verarbeiten. Die Mathematiker trainieren diesem Netzwerk an, bestimmte Daten optimal zu verarbeiten. Dabei handelt es sich um ein „lernendes“ Netzwerk, also um künstliche Intelligenz. Anders gesagt: Alle Informationen aus der Trainingsphase werden gespeichert und für spätere Wettervorhersagen eingesetzt. So sollte es möglich sein, die Prognosen kontinuierlich zu verbessern – inklusive lokaler Faktoren, die ebenfalls in den Speicher wandern.

Dabei besteht das Netzwerk aus mehreren Schichten. In einer Zwischenschicht analysieren und bewerten die Neuronen die chaotischen, nicht-linearen Wechselwirkungen zwischen den Daten aus den Wettermessstationen und den physikalischen Zuständen der Atmosphäre in der Simulation. Auf diese Weise wollen die Wissenschaftler erreichen, dass ihr neuronales Netz selbstständig lernt, wie sich Veränderungen beispielsweise auf die Temperatur an einer bestimmten Messstation auswirken. Für die Trainingsphase nutzten die Forscher Wetterdaten aus Deutschland, die 537 Wetterstationen von 2007 bis 2016 aufzeichneten.

Neuronale Netze statt menschlicher Experten?

Natürlich haben die Wissenschaftler auch den Praxistest gemacht und ihre Prognosen mit den Wettervorhersagen verglichen, die ausschließlich mit herkömmlichen Techniken berechnet wurden. „Unser Ansatz hat für fast alle Wetterstationen deutlich genauere Vorhersagen getroffen und ist wesentlich weniger rechenaufwendig“, sagt Lerch. Aus seine Sicht liegen die Vorteile von neuronalen Netzen als Nachbearbeitungsverfahren vor allem darin, dass sie eigenständig arbeiten und ihr Wissen permanent erweitern. Zudem seien sie schnell und damit sogar gegenüber menschlichen Experten im Vorteil.

Weitere Beiträge zu künstlicher Intelligenz:

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.