Supercomputer simuliert erstmals die gesamte Erdatmosphäre – Wettermodell mit 220 Metern Auflösung

Wettermodelle berechnen manchmal Starkregen, der in Wirklichkeit gar nicht auftritt. Besonders bei schweren Gewittern erzeugen sie übertriebene Regenmengen auf engstem Raum. Japanische Wissenschaftler haben dieses Problem nun mit enormer Rechenleistung deutlich reduziert. Ihr neues Wettermodell bildet die gesamte Erdatmosphäre erstmals mit einem Rasterabstand von nur 220 Metern ab. Damit lassen sich selbst einzelne Luftströmungen innerhalb mächtiger Gewitterwolken darstellen.

Für die am 8. Oktober 2026 im Fachjournal Geophysical Research Letters erschienene Simulation nutzten Wissenschaftler der Universität Tokio den japanischen Supercomputer Fugaku. Fast eine Billion dreidimensionale Gitterpunkte waren nötig, um acht Stunden Wettergeschehen auf der gesamten Erde nachzubilden. Der Stromverbrauch entsprach dem eines durchschnittlichen japanischen Haushalts über rund 40 Jahre. Dafür verschwanden viele künstlich übertriebene Starkregenereignisse, die gröbere Modelle häufig produzieren.

Wettermodell mit 220 Metern Auflösung verteilt Starkregen realistischer

Bisherige hochauflösende globale Wettermodelle arbeiten meist mit Rasterabständen zwischen einem und zehn Kilometern. Dadurch entstehen bei Gewittern mitunter übermäßig starke, räumlich isolierte Niederschläge. Wissenschaftler nennen dieses Phänomen „Popcorn-Regen“. Die künstlichen Regenzellen verteilen sich wie aufgeplatzte Maiskörner über die simulierte Landschaft.

Besonders auffällig waren Niederschlagsintensitäten zwischen 20 und 80 Millimetern pro Stunde. Solche Regenmengen kommen auch in der Natur vor. In den gröberen Simulationen traten sie allerdings häufiger auf als in den herangezogenen Satellitenmessungen. Bei feineren Rasterabständen veränderte sich die Verteilung:

• Starkregen: Niederschläge mit mehr als 30 Millimetern pro Stunde wurden seltener berechnet.
• Mäßiger Regen: Ereignisse mit wenigen Millimetern pro Stunde nahmen leicht zu.
• Regengebiete: Statt einzelner großer Niederschlagszellen entstanden kleinere, räumlich stärker verteilte Strukturen.

Taifun Omais bekommt deutlich feinere Regenbänder

Besonders anschaulich wird der Unterschied beim Taifun Omais, der im August 2016 über dem westlichen Nordpazifik zog. In der Simulation mit 3,5 Kilometern Rasterabstand erscheinen seine Regengebiete als vergleichsweise große, zusammenhängende Flächen. Bei 220 Metern treten dagegen schmale Regenbänder und zahlreiche kleinere Gewitterzellen hervor.

Auch die Luftströmungen innerhalb der Gewitter verändern ihr Erscheinungsbild. Während gröbere Modelle häufig einen großen, isolierten Aufwind berechnen, entstehen bei höherer Auflösung mehrere kleinere Aufwindbereiche. Dazwischen sinkt Luft ab. Diese Bewegungen bestimmen mit, wo Wasserdampf aufsteigt, zu Wolkentröpfchen kondensiert und schließlich Niederschlag entsteht.

„Mit dieser feineren Auflösung können wir die innere Struktur von Gewitterwolken einschließlich einzelner Auf- und Abwinde wesentlich deutlicher darstellen als bisher“, erklärt Shuhei Matsugishi vom Atmosphere and Ocean Research Institute der University of Tokyo.

Fugaku benötigt mehr als die Hälfte seiner Rechenleistung

Für das Experiment beanspruchte das Team mehr als die Hälfte der Rechenknoten des japanischen Supercomputers Fugaku gleichzeitig. Allein die horizontale Unterteilung der Atmosphäre stellt enorme Anforderungen an die Hardware. Hinzu kommen 78 übereinanderliegende Schichten, mit denen das Modell die Luft bis in große Höhen erfasst.

Der Rechenaufwand begrenzt bislang den praktischen Einsatz. Wetterdienste benötigen täglich neue Berechnungen, die viele Stunden oder mehrere Tage in die Zukunft reichen. Die Simulation der Universität Tokio umfasst dagegen einen kurzen Zeitraum unter vorgegebenen atmosphärischen Anfangsbedingungen.

Studienautor Shuhei Matsugishi beschreibt die Grenze ausdrücklich: „Derzeit ist eine globale Simulation mit einer Auflösung von 220 Metern viel zu rechenintensiv, um operationelle Wettervorhersagesysteme zu ersetzen.“ Für die Untersuchung tropischer Gewitter und heftiger Niederschläge liefert das Verfahren dennoch eine bislang unerreichte Detailtiefe.

Über den Ozeanen verschwinden zu viele tiefe Wolken

Während das neue Modell die Verteilung von Regen realistischer berechnet, hat es bei der Darstellung von Wolken noch erhebliche Schwächen. Besonders betroffen sind tiefe Wolken, die sich in relativ geringer Höhe über der Erdoberfläche bilden. Je feiner das Rechenraster wurde, desto weniger dieser Wolken zeigte die Simulation. Besonders auffällig war das über den Ozeanen.

Vor den Küsten Kaliforniens und Namibias, wo normalerweise ausgedehnte Felder niedriger Wolken auftreten, verschwanden diese in einer Modellvariante mit 440 Metern Rasterabstand nahezu vollständig. Tatsächlich lösten sich die Wolken natürlich nicht auf – der Computer bildete sie lediglich nicht mehr richtig ab. Eine zweite Berechnungsvariante zeigte weiterhin Wolken, allerdings ebenfalls deutlich weniger als erwartet.

Der Unterschied liegt darin, wie die beiden Verfahren turbulente Luftbewegungen berechnen. Solche Strömungen verteilen Wärme und Wasserdampf in der Atmosphäre und beeinflussen dadurch die Wolkenbildung. Auch bei Wolken in großer Höhe lieferten die beiden Varianten unterschiedliche Ergebnisse.

Für Klimamodelle ist das ein Problem, denn Wolken beeinflussen die Temperatur der Erde. Tief liegende Wolken reflektieren viel Sonnenlicht zurück ins Weltall und wirken dadurch überwiegend kühlend. Hohe, dünne Wolken halten dagegen häufig Wärmestrahlung zurück und können die Erde zusätzlich erwärmen. Wie viele Wolken sich in welcher Höhe bilden, hat deshalb großen Einfluss auf die berechnete Erderwärmung.

Wettermodelle könnten langfristig bis auf zehn Meter auflösen

Das japanische Modell gehört zu einer neuen Generation sogenannter Large-Eddy-Simulationen. Dabei berechnen Computer größere turbulente Luftwirbel unmittelbar. Kleinere, nicht aufgelöste Bewegungen müssen weiterhin durch mathematische Näherungsverfahren berücksichtigt werden.

Die Daten der hochauflösenden Simulation können künftig als Vergleichsmaßstab für weniger rechenintensive Wettermodelle dienen. So lassen sich beispielsweise die Berechnung von Gewitteraufwinden, die Verteilung von Niederschlägen und der Transport von Feuchtigkeit überprüfen.

Langfristig arbeiten Wissenschaftler sogar auf weltweite Simulationen mit Rasterabständen von etwa zehn Metern hin. Bei einer solchen Auflösung könnten wesentlich mehr turbulente Luftbewegungen direkt erfasst werden. Dafür wären allerdings nochmals erheblich größere Rechenkapazitäten erforderlich.

Bis dahin bleibt die 220-Meter-Simulation vor allem ein Forschungsinstrument. Eine höhere Genauigkeit der täglichen Wetterprognosen ist bislang nicht nachgewiesen. Für die Entwicklung künftiger Modelle stehen jedoch erstmals weltweite Atmosphärendaten zur Verfügung, die selbst kleinräumige Strukturen mächtiger Gewitterwolken erfassen.

Kurz zusammengefasst:

• Weltweit einzigartige Auflösung: Japanische Wissenschaftler simulierten erstmals die gesamte Erdatmosphäre mit einem Rasterabstand von nur 220 Metern.
• Realistischere Niederschläge: Das neue Wettermodell reduziert künstlich übertriebene Starkregenereignisse und bildet einzelne Gewitterzellen wesentlich detaillierter ab.
• Hoher Rechenaufwand: Der Supercomputer Fugaku benötigte enorme Rechenleistung für nur acht Stunden Simulation; für tägliche Wettervorhersagen ist das Verfahren noch zu aufwendig.

Übrigens: Während das japanische Wettermodell Starkregen detaillierter abbildet, berechnet ein deutsch-südkoreanisches Klimamodell mit neun Kilometern Auflösung, wo Hitze und Extremregen bis 2100 besonders stark zunehmen könnten – mehr dazu in unserem Artikel.

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