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Präzise Vorhersage gegen dicke Luft

Die Sonne scheint, ein Südwest-Wind weht, die Feinstaubwerte sind niedrig - und trotzdem wird Feinstaubalarm in Stuttgart ausgelöst. Warum ist das so? Grund ist ein bundesweit einzigartiges Prognose-Modell des Deutschen Wetterdienstes (DWD), das zusammen mit der Landeshauptstadt entwickelt wurde. Es soll rechtzeitig schlechte Luft in Stuttgart vorhersagen.

Feinstaub über StuttgartTrüber Schleier über Stuttgart-Münster: Der Feinstaub wird in der feuchten Grundschicht vom Schnarrenberg aus sichtbar. Foto: Thomas WagnerAls Uwe Schickedanz vor zwei Jahren den Auftrag erhält, stehen er und sein Team vor einer großen Herausforderung. Sie sollen für die Stadt Stuttgart ein neues Prognose-Modell entwickeln, das den Luftaustausch und erhöhte Feinstaubwerte zuverlässig vorhersagt und zugleich speziell auf die Region zugeschnitten ist. "Das war wie beim Einstellen eines Radiosenders. Wir haben uns langsam angenähert, bis die Frequenz stimmte", erinnert sich Uwe Schickedanz.

Das Ziel ist klar: Die Feinstaubwerte sollen künftig erst gar keine Grenzwerte erreichen. Die Schwierigkeit allerdings: Welches Wetter begünstigt dicke Luft? Welche Rolle spielt die Topographie? Wie kann ein Prognose-Modell aussehen? Und wann wird Feinstaubalarm ausgelöst?

Feinstaub begünstigt Bronchitis, Asthma und Herzerkrankungen

Uwe Schickedanz ist Diplom-Meteorologe und leitet die regionale Außenstelle des Deutschen Wetterdienstes in Stuttgart. Die Messstation liegt auf dem 300 Meter hohen Schnarrenberg, wo seit 1984 das Wetter für die Region vorhergesagt wird. Bei schönem Wetter reicht der Blick weit über den Neckar und die hügelige Landschaft bis zur Schwäbischen Alb. Entwi­ckelt sich das Wetter allerdings ungünstig, dann konzentrieren sich Feinstaub und andere Schadstoffe in der Luft, und im schlimmsten Fall legt sich eine trübe Dunstglocke auf den Stuttgarter Talkessel.

Gesund ist das nicht. Wenn in der Luft zu viel Feinstaub ist, dann kann das Einatmen krank machen. Die mikroskopisch winzigen Staubpartikel, die bis zu 50-mal kleiner sind als ein menschliches Haar, dringen tief in den Körper ein und können Bronchitis, Asthma und Herzerkrankungen begünstigen. Deshalb hat die Europäische Union den Tagesgrenzwert auf 50 Mikrogramm Feinstaub pro Kubikmeter Luft festgelegt, um die Gesundheit der Menschen besser zu schützen. Denn die winzigen Staubpartikel sind allgegenwärtig.

Bereits Sandstürme, Vulkangase oder Bodenerosionen setzen auf natürliche Weise Feinstaub frei. Aber: Das Meiste wird vom Menschen gemacht. Die Quellen des "Drecks" sind Industrie, Heizungen, Schuttgüter, Landwirtschaft und der Straßenverkehr. Alles zusammen wirkt wie ein gewaltiger Teilchenbeschleuniger.

Autos sind in Stuttgart eine bedeutende Staubquelle

Vor allem in Ballungsgebieten ist das Auto eine der wesentlichen Staubquellen - es erzeugt Abgase, wirbelt Staub auf, sorgt für Reifenabrieb und löst beim Bremsen winzige Staubpartikel. Nach Angaben der Landesanstalt für Umwelt in Baden-Württemberg (LUBW) erzeugt in Stuttgart der Straßenverkehr knapp die Hälfte der Feinstaubbelastung.

Auch in anderen deutschen Großstädten werden erhöhte Feinstaubwerte gemessen. Doch in Stuttgart ist das Problem komplizierter, wegen der vielen Hügel und des engen Talkessels. Hier zirkuliert die Luft schlechter als in Städten, die in Ebenen liegen. Ohnehin gilt die ganze Region als windarm. Besonders kritisch wird es bei Inversionswetterlagen, die sich überwiegend im Herbst und Winter bilden. Da verkehrt sich das Wetter: Am Boden ist es kühl, in der Höhe ist es wärmer, und weil kein Wind weht, wird die Luft nicht durchmischt. Die Folge: In Bodennähe sammeln sich viel Feinstaub und Stickoxide.

Deutscher Wetterdienst auf dem SchnarrenbergEin Mann mit Durchblick: Der Meteorologe Uwe Schickedanz vom Deutschen Wetterdienst entwickelt das Prognose-Modell für Stuttgart. Foto: Thomas WagnerWar in der Vergangenheit eine Inversionswetterlage in Stuttgart im Anmarsch, konnte der DWD den Anstieg des Feinstaubs in der Luft ganz gut vorhersagen. "Es gab aber viele Fälle, in denen wir auch so dicke Luft hatten", erklärt Schickedanz. "Unklar war dabei das Zusammenspiel von Wetter, Emissionen und Lage." Die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) habe zwar Kriterien festgelegt, aber die helfen nicht weiter, weil sie weder die regionale Topographie noch die regionale Emission berücksichtigen. "Die Definition war für die Situation in Stuttgart zu starr", betont Schickedanz. "Wir mussten bei null anfangen."

Um ein passendes Prognose-Modell zu finden, beginnt im Frühjahr 2015 eine monatelange Suche nach den Zusammenhängen. Wie war das Wetter in Stuttgart, als die Feinstaubwerte zu hoch waren? Was können Schwellenwerte sein, um einen eingeschränkten Luftaustausch festzustellen? Junge Nachwuchswissenschaftler sichten eine Flut an Daten, werten Angaben zu Temperaturen, Wind, Wolken und Luftdruck aus und setzen diese in Beziehung zueinander. So entsteht nach und nach aus den Puzzleteilen ein Bild. Die Bausteine sind:

  • aktueller Feinstaubwert,
  • fehlender Regen,
  • falsche Windrichtung,
  • nächtliche Bodeninversion,
  • flache Luftmischung tagsüber,
  • und geringe Windgeschwindigkeit.
     
In einer Matrix sind diese sechs Kriterien jetzt festgelegt, verknüpft und gewichtet. Das Prognose-Modell funktioniert nach dem Ausschlussprinzip und hat eines sehr deutlich gemacht: Regen hat den größten Einfluss auf Feinstaub - er wäscht die Luft rein. "Liegt die Feinstaubkonzentration bei 30 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft und fällt auch die folgenden Tage kein Regen, wird der Feinstaub mit großer Sicherheit über dem Grenzwert von 50 Mikrogramm liegen", erklärt Schi­ckedanz. "Dabei ist es egal, ob der Wind weht oder der Luftaustausch stabil ist."

Prognose-Modell für Stuttgart ist bundesweit einzigartig

Tag für Tag klopfen nun Uwe Schickedanz und sein Team die Vorhersagedaten nationaler Wetterdienste nach den Kriterien ab und prüfen, wie sich Feinstaub, Wind, Regen und Luftdruck in den kommenden Tagen entwi­ckeln werden. Der Klimatologe Ulrich Reuter von der Stadt Stuttgart entscheidet schließlich, ob Feinstaubalarm ausgelöst wird, was immer dann geschieht, wenn das Wetter für eine schlechte Luftdurchmischung sorgt. Und weil sich das Wetter präzise nur kurzfristig vorhersagen lässt, kann auch der Alarm nur zwei Tage im Voraus ausgelöst werden.

Für Uwe Schickedanz hat sich die mühevolle Forschungsarbeit gelohnt: "Unser Vorhersage-System für Stuttgart ist bundesweit einzigartig. Es gibt bislang auf diesem Gebiet kein präziseres Modell, um die Luftqualität vorherzusagen." Inzwischen erhält er Anfragen von Wetterstationen aus ganz Deutschland.

Weitere Informationen


www.stuttgart.de/feinstaubalarm

Dienstag, 29.11.2016