Damit die Prognosen für Wetter und Klima besser werden können, müssen Wolken in den entsprechenden Modellen genauer beschrieben werden. Ein Problem dabei: Bisher ist es nicht möglich, Wolken in ihrer komplexen dreidimensionalen Struktur abzubilden. Die C3SAR-Gruppe der will das ändern und die Streuung von Sonnenstrahlung in Wolken zum ersten Mal unter Berücksichtigung ihrer dreidimensionalen Struktur bestimmen. Dafür ist die C3SAR-Messkampagne (Cloud 3D Structure and Radiation) ein zentraler Baustein. Sie findet von Mai bis August südöstlich von Berlin statt. Mehr als vierzig Forschende betreiben dabei am Meteorologischen Observatorium Lindenberg des Deutschen Wetterdienstes und dessen Messfeld in Falkenberg (Tauche) über 35 Geräte. Damit soll der Einfluss der dreidimensionalen Natur der Wolken auf die Sonnenstrahlung am Boden so genau wie nie zuvor gemessen werden. Neben den Messungen am Boden wird es erstmals parallel auch Strahlungsmessungen mit Drohnen und Helikoptern sowie Vergleiche mit Daten der neuesten Generation von Wetter- und Klimasatelliten geben.
Dass die aufwendige Messkampagne gerade in Brandenburg stattfindet, liegt an der Expertise des Meteorologischen Observatorium Lindenberg: Das Richard-Aßmann-Observatorium bündelt die Forschung des DWD zur physikalischen Struktur der Atmosphäre vom Boden bis in die Stratosphäre. Seit mehr als 120 Jahren wird hier die Atmosphäre untersucht und seit mehr als zwanzig Jahren auch die Sonneneinstrahlung. Das Observatorium bietet eine breite Palette routinemäßiger bodengestützter Messungen. Dazu gehören Wolkenradare, Ceilometer, Mikrowellenradiometer, ein Raman-Lidar, Radiosondierungen, ein infraroter hemisphärischer Himmelsbildgeber, Kurz- und Langwellenradiometer sowie Wolkenkameras. Diese umfangreichen Messungen sind auch bekannt als „Lindenberger Säule“.
Ergänzt werden diese Geräte durch Instrumente der Partnerinstitute. Dazu zählt das neuartige in-situ-Instrument AMUDIS der Leibniz-Universität Hannover. Dieses Instrument ermöglicht die gleichzeitige Messung von Strahlungsintensitäten aus vielen Richtungen mit hoher spektraler und zeitlicher Auflösung. Die Messungen erfolgen simultan über den gesamten Himmelsbereich über dem Messstandort und stellen damit ein wichtiges Gegenstück zu den vertikalen Punktmessungen der übrigen Instrumente dar.
Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) fungiert als Konsortialführer und hat im April sein PyrNet-Messnetz aus 45 Pyranometern aufgebaut, das zuletzt vor drei Jahren bei einer Kampagne im Mittleren Westen der USA im Einsatz war. Die kleinen Geräte werden auf Stäben in der Landschaft platziert und messen die solare abwärts gerichtete Strahlungsflussdichte sowie Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Das Netzwerk wird seine höchste Dichte am Observatorium in Lindenberg und auf dem Messfeld in Falkenberg aufweisen, sich jedoch über ein Gebiet von fast zehn mal zehn Kilometern erstrecken. Dieses Netzwerk an Sensoren in der Fläche ist essentiell, um die Schwankungen der Sonneneinstrahlung durch die Wolken räumlich erfassen zu können.
Zusätzlich kommt vom TROPOS der OCEANET-Messcontainer zum Einsatz, der bereits in der Arktis und Antarktis genutzt wurde. Hier ist vor allem ein Lasermessgerät von Bedeutung, das die polarisierte Streustrahlung aus Wolken mit zwei Öffnungswinkeln misst. Dadurch können im unteren Bereich der Wolke zum Beispiel die Größe und Anzahl der Wolkentröpfchen gemessen werden. Bis August wird die DWD-Messstation in Falkenberg somit mit aktiven und passiven Fernerkundungsgeräten für eine Wolken- und Strahlungsstation ausgestattet sein, darunter ein Wolkenradar, ein Mikrowellenradiometer, ein Ceilometer, ein Doppler-Windlidar und ein Sonnenphotometer sowie eine Breitband-Strahlungsstation und weitere Messgeräte, die das Leipziger Institut für Meteorologie (LIM) der Universität Leipzig bereitstellt.
Physikalische Wettermodelle zuverlässiger als KI
Wolkenforschung in der Antarktis
Turbulenz sorgt für Eis in Wolken
Dazu kommen Wolkenkameras der Universität Valladolid sowie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Beobachtungen von mehreren Kameras werden kombiniert, um sogenannte „Wolkenmasken“ zu erstellen. Diese beschreiben hochaufgelöst, an welcher Position zum Zeitpunkt der Messungen Wolken waren und wo nicht.
Darüber hinaus wird der Standort Falkenberg als Basis für verschiedene Messungen aus der Luft dienen: Sowohl im Mai als auch im Juli werden verschiedene Drohnen eingesetzt. Diese werden von der Uni Tübingen, der TU Braunschweig und dem Finnischen Meteorologischen Institut FMI betrieben. Die Drohnen erlauben zum einen präzise Messungen der Wolkeneigenschaften und vor allem deren Variationen innerhalb der Wolke. Zum anderen erfassen zusätzliche Drohnen die Sonnenstrahlung unterhalb der Wolken. Durch das wiederholte Abfliegen fester Flugmuster stellen diese Messungen ein wertvolles Gegenstück zu den Messungen des Pyranometernetzwerks am Boden dar. Die wahrscheinlich spektakulärsten Messungen steuert TROPOS mit ACTOS bei. Das „Airborne Cloud Turbulence Observation System“ ist eine Messplattform, die an einem 150 Meter langen Seil unter einem Hubschrauber hängt. Auf den fast täglich stattfindenden Flügen wird ACTOS durch die Wolken gezogen und misst Eigenschaften wie Tröpfchenanzahl und -größenverteilung – Parameter, die den Strahlungseffekt von Wolken prägen. Die Helikopterflüge finden zwischen dem 6. und 24. Juli ab Falkenberg statt. Zu dieser Jahreszeit überwiegen normalerweise konvektive Cumuluswolken. Gegen Ende der Kampagne steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit für Schichtwolken in Verbindung mit Tiefdruckgebieten, was die Möglichkeit bietet, auch solche Wolkenszenarien einzubeziehen und ein möglichst umfassendes Bild von Wolken zu erhalten.
Die Hightech-Instrumente am Boden und in der Luft werden zusätzlich von einer neuen Generation moderner Satellitenmessungen unterstützt. So bieten sowohl die Satelliten der METEOSAT Third Generation (MTG) als auch der 2024 gestartete EarthCARE-Satellit nie dagewesene Möglichkeiten bei der Beobachtung der Wolkenentwicklung sowie bei der Messung der dreidimensionalen Wolkenfelder und ihrer entsprechenden Strahlungseffekte. Durch diese Kombination wird ein einzigartiger Datensatz zu Wolkeneigenschaften, Strahlungsintensität und Strahlungsleistung am Boden und am oberen Rand der Atmosphäre zusammengestellt. Dieser Datensatz wird eine wichtige Grundlage sowohl für die Arbeiten der Forschungsgruppe C3SAR als auch für kommende Forschungsprojekte im Themenfeld Wolken und Klima bilden. „Die Kombination aus Fernerkundung, in-situ-Messung und Modellierung wird eine realistische Korrelation zwischen Wolkeneigenschaften und deren Strahlungswirkung liefern, die in der geplanten zweiten Phase von C3SAR auf mehrere Standorte in Europa, Afrika und den Polarregionen ausgeweitet wird, um letztlich eine globale Berücksichtigung der räumlichen Wolkenstruktur in Klimasystem zu bekommen“, ergänzt TROPOS-Direktor Andreas Macke, Professor für Physik der Atmosphäre an der Uni Leipzig und C3SAR-Sprecher. [TROPOS / dre]
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