Wie Wolken die Sonneneinstrahlung beeinflussen

Erstmals haben deutsche Forscher den Einfluss von Wolken auf kurzfristige Schwankungen der Sonneneinstrahlung in Nordamerika gemessen. Zum Einsatz kam dabei ein weltweit einmaliges Netz von Strahlungssensoren, das am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (Tropos) konzipiert und gebaut wurde. Es war von Anfang Juni bis Ende August dieses Jahres in der flachen Prärie des mittleren Westens der USA im Einsatz. Die Pyranometer haben dabei das eingehende Sonnenlicht an sechzig Standorten verteilt über einer Fläche von sechs auf sechs Quadratkilometern im US-Staat Oklahoma sekundengenau erfasst.

Die Leipziger Forscher haben dazu in der unmittelbaren Umgebung des Southern Great Plains (SGP) Atmospheric Observatory gemessen, dem weltweit größten und umfangreichsten Observatoriums zur Messung der atmosphärischen Strahlung. Die Messkampagne „Small-Scale Variability of Solar Radiation“ (S2VSR) von Tropos, dem US-Strahlungsmessprogramm ARM und der University of Oklahoma hat erfolgreich wichtige Klimadaten an der Erdoberfläche gesammelt, damit die neuesten Generationen an Wetter- und Umweltsatelliten sowie Photovoltaik-Anlagen effektiver genutzt sowie Wettervorhersagen und Klimamodelle genauer gemacht werden können.

Diese Messungen ergänzen dabei die seit dem Bau des Netzwerks vor zehn Jahren im Rahmen von sechs Feldkampagnen in Deutschland und in der Arktis gewonnenen Datensätze. Von wissenschaftlichem Interesse sind in diesem Fall neben den vorherrschenden meteorologischen Bedingungen auch die umfangreichen Vergleichsmöglichkeiten mit Routinemessungen am Standort des dortigen Observatoriums und im gesamten Bundesstaat Oklahoma, nämlich die umfangreichen atmosphärischen Messungen des ARM-Programms sowie des Oklahoma MESONETs. Das Tropos-Pyranometer-Messnetz hat diese dabei um Informationen über Schwankungen auf Sekunden- und Dekameterskala ergänzt, die die bisherigen Messungen aufgrund eines zu großen Abstands der Stationen nicht liefern können. Die Daten sollen nun insbesondere als Grundlage für den geplanten Vergleich mit den neusten Satellitenbeobachtungen dienen: einerseits mit dem amerikanischen geostationären GOES-R Satellit, der bereits jetzt Beobachtungen mit 500 Metern Auflösung im Fünf-Minutentakt liefert wie die europäischen Meteosat-Satelliten der dritten Generation ab Ende des Jahres; andererseits mit der europäischen Sentinel-2 Mission, mit Bildern von bis zu zehn Metern räumlicher Auflösung.

Die Feldkampagne profitierte dabei von der logistischen Unterstützung und der sehr guten Zusammenarbeit mit dem amerikanischen Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Programm, das auf die Untersuchung der Atmosphäre und ihrer Wechselwirkungen mit der atmosphärischen Strahlung ausgerichtet ist und das Observatorium in Oklahoma seit 1992 betreibt. Ein weiterer wichtiger Partner für die Kampagne und die nun beginnende wissenschaftliche Auswertung ist die School of Meteorology an der Universität von Oklahoma. Sie ist der größte Meteorologie-Fachbereich in den Vereinigten Staaten. „Die S2VSR-Messkampagne bietet hervorragende Möglichkeiten für unsere Forschungsgruppe CL2EAR (CLouds ClimatE Aerosols Radiation)“, so Jens Redemann, Director der School of Meteorology. „Durch S2VSR haben unsere Studenten Hands-on-Training in der Durchführung von Messungen und in der Analyse dieser weltweit einzigartigen Beobachtungen bekommen, die den Schlüssel für viele Fragen in unserem Forschungsgebiet bieten könnte. Wir hoffen auf eine lange und vielfältige Zusammenarbeit mit Tropos.“

„Während der zwölf-wöchigen Kampagne wurden zwei Messstationen leider durch Mäharbeiten beschädigt, davon konnte nur eine repariert werden. Im Rahmen der Routinewartung wurden vereinzelt Beeinträchtigungen der Messungen durch verschmutzte oder gekippte Pyranometer festgestellt. Die vorläufige Qualitätssicherung der gewonnenen Daten zeigt jedoch, dass ihre Qualität und Verfügbarkeit auch im Vergleich zu vergangenen Kampagnen sehr hoch ist und die Kampagne somit ein voller Erfolg war”, berichtet Hartwig Deneke vom Tropos.

Die nun beginnende Auswertung der Beobachtungen der Kampagne „Small-Scale Variability of Solar Radiation“ (S2VSR) soll neuartige Erkenntnisse über die kurzfristige Schwankung des Sonnenlichts an der Erdoberfläche liefern, wie sie vor allem durch Wolken verursacht werden. „Auf diesen Skalen kommt es dabei insbesondere aufgrund der dreidimensionalen Wolkenstrukturen zu Effekten im atmosphärischen Strahlungstransport, die sowohl von aktuellen Wetter- und Klimamodellen als auch in Satellitenprodukten bisher nur unzureichend berücksichtigt werden. Wir hoffen, dass die gewonnenen Erkenntnisse mittelfristig auch dazu beitragen, Kurzfristvorhersagen des Sonnenlichts zu verbessern für eine optimale Nutzung der mit Photovoltaik erzeugter erneuerbarer Energie“, erklärt Hartwig Deneke.