Projekt:FE Beobachtung 1/Wolkenradar/Aktuelle Projekte

Teilprojekt Wolkenradar

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Autor:Din

Auf dieser Seite sollen nationale und internationale Forschungsprojekte kurz vorgestellt werden. Vielleicht kann ja auch ein Ausblick gegeben werden, welche Themen noch erforscht werden sollen und wie man z.B. versucht, die bisherigen Probleme zu lösen.

Beobachtung der Struktur von Schauern und Gewittern

Am Institut für Physik der Atmosphäre der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen beschäftigte man sich schon in den 70er Jahren mit der Beobachtung der Struktur von Schauern und Gewittern. Dabei konzentrierte man sich auf eine statistische Untersuchung der Zellstruktur von konvektiven Niederschlagswolken unter Verwendung von Wolkenradar-Messungen.

Vorbetrachtungen

Hauptbestandteil der Untersuchung waren Iso-Echo-Darstellungen von Radarbildern, bei denen Starkregenzonen stärker hervorgehoben und Zonen mit geringeren Regenintensitäten unterdrückt wurden. Somit konnte man feststellen, dass sich Schauer und Gewitter oftmals aus mehreren Starkregenzonen zusammensetzen. Zwischen diesen ist die Regenintensität geringer. Mittels verschiedener Dämpfungsstufen des Radarechos konnten die Bereiche mit großen Intensitäten isoliert und ausgezählt werden.

Im Rahmen des „Thunderstorm Projects“ des USA-Weather-Bureaus wurden in den Jahren 1946 und 1947 Untersuchungen von Wärmegewittern und Frontgewittern durchgeführt. Dabei wurde experimentell bewiesen, dass Gewitter und Schauer eine zellenartige Struktur aufweisen. Vermutungen dazu hat es aber bereits vorher gegeben.

Allerdings bestehen vor allem Wärmegewitter aus einem Konglomerat von bis zu sieben oder acht Zellen und lassen sich somit nicht mit einem einfachen Schema beschreiben. Die einzelnen Zellen sind durch ihre typische Lebensgeschichte gekennzeichnet, welche sich jeweils aus dem Jugend-, dem Reife- und dem Alterstadium zusammensetzt. Somit charakterisiert die Anzahl der aktiven Zellen und deren jeweiliges Lebensstadium den Zustand eines Gewitters.^[1]

Untersuchung

Die Untersuchung bezüglich der Zellenstruktur von Schauern und Gewittern fanden am oberbayrischen Alpennordrand statt. Dazu wurden in den Sommermonaten 1965 und 1966 Radarmessungen mit dem 3,2 cm Radar bei Wetterlagen mit luftmasseneigenen Schauern und Gewittern durchgeführt. Bei diesen ist die Strukturanalyse erfolgversprechender, als bei frontgebundene Schauern und Gewittern. Diese wurden deshalb auch nicht betrachtet und, sofern eine Abgrenzung möglich war, von den Untersuchungen ausgeschlossen.

Mithilfe der Untersuchungen sollte die Frage beantwortet werden, aus wie vielen Niederschlagszellen ein konvektives Niederschlagsgebiet im Durchschnitt besteht. Dazu wurde die Häufigkeitsverteilung der jeweiligen Ereignisse untersucht. Aufgrund der kurzen Untersuchungszeiträume konnten keine Aussagen über die Abhängigkeit von Tageszeiten, Jahreszeiten oder Wetterlagen abgeleitet werden.

Bei den Radarmessungen wurde mit verschiedenen Dämpfungen gearbeitet, sodass bei zunächst starker Dämpfung die stärksten Zellen lokalisiert werden konnten. Indem man anschließend die Dämpfung immer mehr reduzierte, wurde die Zellstruktur sichtbar. Dabei konnte durchschnittlich eine Bildserie von 10 Bildern im Bereich von 0 bis 50 Dezibel in etwa 2 Minuten gemacht werden. Durch die kurze Zeit konnte auch der Einfluss von entwicklungsbedingten Veränderungen ausgeschlossen bzw. minimiert werden.^[1]

Auswertung

Schematische Darstellung der Struktur von Schauern und Gewittern bei Radarbildern

Für die Auswertung wurden die Bilder der verschiedenen Dämpfungsstufen auf eine Unterlage projiziert und die jeweilige Phase mit einem Farbstift umrandet. Somit kann von dem Radarbild mit 0 Dezibel Dämpfung das vollständige Gewitter umrandet werden. Die darin enthaltenen Zellen großer Niederschlagsintensität bleiben nach einer Dämpfung von z.B. 20 Dezibel noch übrig (vgl. Abbildung). Im Anschluss werden die Zellen des Gewitters bzw. des Schauers ausgezählt.^[1]

Ergebnisse der Untersuchung

Somit wurden Häufigkeitsverteilungen der Schauer und Gewitter mit 1, 2, 3, ... Zellen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt im Erfassungsbereich des Radars aufgetreten sind, erstellt. Außerdem wurde die prozentuale relative Häufigkeit der Zellen in Gewittern und Schauern ermittelt, indem die Gewitterhäufigkeiten mit bestimmter Zellenzahl zur Gesamtzahl der Gewitter normiert wurden. Schießlich wurden die Ergebnisse zu einer resultierenden Verteilung zusammengefasst. Diese sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Anzahl der Zellen	relative Häufigkeit
1	61%
2	23%
3	8%
4	3%
5	2%
6	1%

Weiterhin wurde die mittlere Größe der Regenzellen berechnet. Einzellige Gewitter haben eine mittlere Größe von 29,7 km², bei zweizelligen Regenzellen sind es 46,0 km², bei dreizelligen 35,5 km² und bei vierzelligen Regenzellen 36,2 km². Im Mittel beträgt die durchschnittliche Größe der Regenzellen 36,8 km².^[1]

Vergleich verschiedener Beobachtungsverfahren anhand von Wolken über der Antarktis

Das Projekt FOCAS (Forcings from the Ocean, Clouds, Atmosphere and Sea-Ice) hat sich zum Ziel gesetzt, die Qualität und Quantität von verfügbaren Informationen über Wolken in der Antarktis zu verbessern.

Dazu werden Informationen aus den verschiedensten Beobachtungsverfahren zusammengetragen und die Ergebnisse der unterschiedlichen Methoden verglichen.

Motivation

In der Antarktis bewirkt die globale Erwärmung sehr starke Klimaveränderungen, welche jedoch regional recht unterschiedlich ausfallen können.

Da Wolken eine entscheidende Rolle beim Strahlungs- und Energiehaushalt der Erde spielen, ist deren Aufbau und Entwicklung und somit auch ihr Einfluss auf das Klima von besonderem Interesse. Außerdem werden Wolken in den derzeitigen Klimamodellen noch nicht ausreichend genau mit eingebunden. Sie stellen somit möglicherweise eine Ursache für die Unsicherheiten der Klimamodelle dar. Mit genaueren Informationen über die Wolken, könnten diese Unsicherheiten verringert werden.

Um die Datengrundlage für die Wolkenforschung zu verbreitern, werden bodengebundene Beobachtungsverfahren mit Satellitendaten ergänzt. Unter anderem sollen dazu auch die Ergebnisse, die ein Wolkenradar liefert, verwendet werden.^[2]

Überblick über die verschiedenen Beobachtungsmethoden

Im Folgenden werden die verschiedenen Methoden zur Beobachtung von Wolkenparametern tabellarisch vorgestellt. Die Methoden werden dazu in bodengebundene Methoden, satellitengestützte Methoden und Modelldaten unterteilt.

Bodengebundene Methoden

Methode	Messgrößen	zeitl. Auflösung	Bemerkung
Synoptische Beobachtungen	Luftdruck, Temperatur, Windrichtung und -geschwindigkeit; Bedeckungsgrad, Wolkenart, Wolkenhöhe, Niederschlagsereignisse	bis stündlich	Beobachtung ab 1957
Radiosondenaufstiege	Vertikalprofile bis 20km Höhe von Lufttemperatur, relativer Feuchte, Windgeschwindigkeit und -richtung	mind. alle 3 Tage	Rückschlüsse auf Vorhandensein, Höhe und vertikale Ausdehnung von Wolken möglich; Beobachtung ab 1977
Ceilometer	Intensität des Rücksignals eines gepulsten Lasers	alle 30 Sekunden	Rückschlüsse auf Höhe der Wolkenbasis, Vertikale Sichtweite, Gesamtbedeckungsgrad möglich; Beobachtung seit 2003

Satellitengestützte Verfahren

Methode	Messgrößen	zeitl. Auflösung	Bemerkung
AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer	k.A.	Zeitlich: 1 bis 8 Überflüge pro Tag	seit 2003; Kanäle bei 0.6, 2.09, 3.37, 11 und 12 Mikrometer
CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)	Vertikalstruktur und andere Charakteristika von dünnen Wolken und Aerosolen	k.A.	Seit 2006
CloudSat	Energie der Rückstreuung von Wolken in Abhängigkeit von der Entfernung zum Radar	k.A.	seit 2006; Informationen bezüglich Vorhandensein, Verteilung, Struktur und Strahlungseigenschaften der Wolken ableitbar
GLAS (Cloud and Surface Parameter Retrieval)	Topographie von Eisdecken sowie deren zeitliche Veränderung, Wolkenparameter, weitere atmosphärische Eigenschaften	k.A.	seit 2003

Modelldaten

Das Modell CASPR (Cloud and Surface Parameter Retrieval) wurde entwickelt, um polare AVHRR-Daten zu analysieren. Darin ist eine Sammlung von Algorithmen zur Berechnung verschiedener Wolken- und Oberfächenparameter enthalten. Mit diesem Modell soll eine hochaufgelöste Wolkenklimatologie erstellt werden, im Moment wird aber daran noch gearbeitet.^[2]

Zusammenfassung und Ausblick

Die synoptischen Beobachtungen sind hinsichtlich der Klimatologie analysiert. Sie sind die kontinuierlichsten Datensätze.
Die Auswertung der AVHRR-Daten ist hinsichtlich der Unterscheidung zwischen Eis und Schnee der Oberfläche und der Wolken noch problematisch.
Generell ist zu sagen, dass sich der Vergleich verschiedener Messmethoden schwierig gestaltet, da die einzelnen Parameter oftmals nicht direkt vergleichbar sind.
Die Auswertung der Satellitendaten soll in der nächsten Zeit beginnen. Außerdem soll dann auch die Erstellung einer räumlich hochaufgelösten Wolkenklimatologie erfolgen. Außerdem sollen auch Daten von CALIPSO, CloudSat und GLAS mit einbezogen werden.
Letztendlich soll ein Vergleich physikalischer Größen und Prozesse in und im Umfeld von Wolken ermöglicht werden.^[2]

Einzelnachweise

↑ ^a ^b ^c ^d Singler,A.: Beobachtung der Struktur von Schauern und Gewittern mittels 3,2cm -Radar; Arch. Met. Geoph. Biokl., Ser.A, 25,217-225
↑ ^a ^b ^c Kirchgäßner,A. und Lachan-Cope,Th.:Wolken über der Antarktis - Verschiedene Beobachtugnsverfahren im Vergleich, British Abtactic Survey, Cambridge, UK

[struktur-1] Singler,A.: Beobachtung der Struktur von Schauern und Gewittern mittels 3,2cm -Radar; Arch. Met. Geoph. Biokl., Ser.A, 25,217-225

[vergleich-2] Kirchgäßner,A. und Lachan-Cope,Th.:Wolken über der Antarktis - Verschiedene Beobachtugnsverfahren im Vergleich, British Abtactic Survey, Cambridge, UK

[1]

[2]