Analyse und Nowcasting von konvektiven Systemen mit VERA

Die genaue Vorhersage von Gewittern ist sowohl für die Wissenschaft als auch für die Öffentlichkeit ein wichtiges Anliegen, da konvektive Ereignisse im Sommer zu den größten Naturgefahren in unseren Breiten gehören. Um die Entstehungsprozesse von Gewittern genauer zu verstehen, ist eine Untersuchung von Konvektion auf einer hoch auflösenden Skala nötig. Nur damit kann man den heutigen Anforderungen an die Vorhersage (in Bezug auf Zeit, Raum und Intensität) gerecht werden. Zu diesem Zweck wird im nächsten Jahr im Rahmen von zwei internationalen Projekten (COPS und MAP D- PHASE) im Süden von Deutschland eine groß angelegte Messkampagne durchgeführt. Das Hauptziel dieser Kampagne ist die Erstellung eines hochwertigen Datensatzes für die Untersuchung konvektiver Prozesse, von der Auslösung von Konvektion über die Wolken- und Niederschlagsbildung bis hin zur Untersuchung von Wolkenchemie und Hydrometeoren. Damit sollen meteorologische (und hydrologische) Vorhersagen für konvektive Ereignisse verbessert werden. Sowohl bei COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study; Teil des Priority Program SSP 1167 der Deutschen Forschungsgemeinschaft) als auch bei MAP D-PHASE (Mesoscale Alpine Program Demonstration of Probabilistic Hydrological and Atmospheric Simulation of flood Events in the Alpine region, ein von der Welt-Meteorologischen Organisation gefördertes Projekt) ist das Institut für Meteorologie und Geophysik in der Planungsphase vertreten. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes soll die Messkampagne durch den Einsatz eines eigenen Meso-Messnetzes und Personal unterstützt werden, womit ein wichtiger Beitrag zu dem einmaligen Datensatz, der durch den Einsatz verschiedenster Messsysteme (Bodenstationen, Dopplerradar, Lidar, Satelliten, Flugzeuge, Radiosonden, ) zu Stande kommt, geleistet wird. Mit Hilfe der Daten aus der Feldkampagne soll im Zuge des Projektes das Analyseverfahren VERA, das im Rahmen von FWF-Projekten am Institut entwickelt worden ist, einerseits für das Nowcasting von Gewittern, andererseits zur genaueren Niederschlagsanalyse, weiterentwickelt werden. Für beide Entwicklungsschritte wird dem Fingerprint-Ansatz, mit dem Zusatzinformation für das Downscaling meteorologischer Felder in die VERA- Analyse implementiert werden kann, eine wichtige Rolle zukommen. Dieser Ansatz wird für 3 Dimensionen, mehrere Fingerprints und höhere Auflösungen (bis 1km Gitterdistanz) erweitert. Mittels des Datensatzes werden neue Fingerprints entwickelt, die dazu beitragen werden, die Analysegenauigkeit für den Niederschlag und die Vorhersagbarkeit von Gewittern in Echtzeit mit Routinedaten zu verbessern. Das fertig entwickelte Analyseverfahren soll dann in einem weiteren Schritt zur Echtzeit-Validierung von hoch auflösenden Wettermodellen verwendet werden, wobei ein neuer Ansatz des Vergleiches zum Tragen kommt. Auch dadurch wird ein Beitrag zur besseren Vorhersagbarkeit von Gewittern geleistet.

Im Rahmen des FWF-Projekts CONSTANCE, das im Rahmen des internationalen Forschungsprojekts COPS (Convective Orographic Precipitation Study) eingebettet war, wurde zum ersten Mal ein hochauflösendes meteorologisches Bodennetz (Mikronetz) mit mehr als 100 Stationen in Europa betrieben (konkret im Nordschwarzwald). Die räumliche Distanz der Stationen betrug 1km, die zeitliche Auflösung 1 Minute, was eine detaillierte Beobachtung von kleinräumigen meteorologischen Prozessen wie Konvektion oder orographisch induzierten Zirkulationen erlaubt. Die Auswertung der Daten ermöglicht des Weiteren, eine Quantifizierung der Repräsentativität einzelner Stationen in Bezug auf räumliche Mittelwerte und damit einen sorgfältigen Vergleich von prognostischen Feldern mit Beobachtungen. Der wahrscheinlich größte Wert von Mikronetzen liegt in der Ermöglichung von Vergleichen mit Fernrkundungsdaten wie z. B. Radar. Der größte Anteil der Auswertungen im vorliegenden Projekt bezieht sich auf letzteren Vergleich, um die Ungenauigkeiten der durch Radar geschätzen Niederschlagsfelder zu bestimmen. Konkrete Ergebnisse zeigten etwa, dass die Orientierung einer der verwendeten Radaranlagen ungenau war und korrigiert werden musste. Dadurch, dass die durch Radar geschätzten Niederschläge aus einer Höhe von zumindest 1km über Grund stammen, was aufgrund der Abschattung der Radarstrahlen durch die Orographie und durch die Erdkrümmung herrührt, kommt es zu zeitlichen Differenzen (Effekt der Fallgeschwindigkeit des Niederschlags) und zu räumlichen Differenzen (Effekt der Winddrift des Niederschlags) zwischen Radar-Niederschlag und Bodenbeobachtung. Diese, durch CONSTANCE quantifizierbaren Unterschiede spielen für das auf Radar beruhende operationelle Nowcasting von Niederschlägen eine wichtige Rolle. Die Ungenauigkeiten von Radarniederschlägen konnte auch durch den Betrieb eines vertikal gerichteten Radars und eines Distrometers im Zentrum des Mikronetzes näher untersucht werden. Das Vertikalradar ermöglicht die Bestimmung des Niederschlagsprofils und Tropfenspektrums oberhalb des Erdbodens, das Distrometer liefert das Tropfenspektrum am Boden. Beide Informationen erlauben die Quantifizierung des Zusammenhangs zwischen Radarsignal und Niederschlag (die so genannte Z-R-Beziehung). Es konnte gezeigt werden, dass die gravierendsten Fehler der Radar-Niederschläge (bis zu 50%!) auf unzureichende Kalibrierung zurückzuführen ist. Die Erfahrungen, die bei CONSTANCE mit dem erstmaligen Betrieb eines Mikronetzes in Europa gemacht wurden, stellen eine große Hilfe bei der Planung und Durchführung von ähnlichen Experimenten in der Zukunft dar. Es konnte gezeigt werden, wie wichtig es ist, neben dem Betrieb von Fernerkundungssystemen ergänzende Mikronetze zu betreiben. Da die qualitätskontrollierten Datensätze für wissenschaftliche Zwecke frei verfügbar sind, können auch weitere zukünftige Auswertungen erwartet werden.