von Tilo Arnhold, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. v.
Zukünftige Windsatelliten sollen die vertikale Auflösung erhöhen, um Schwerewellen in den Tropen besser aufzulösen, schreibt ein Forscherteam des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage ( EZMW), der Universität Hamburg und der Google-Firma Loon. Ihre Studie wurde in der veröffentlicht Vierteljährliches Journal der Royal Meteorological Society.
Die Qualität von numerischen Wettervorhersagemodellen und damit von Wettervorhersagen hängt stark von verfügbaren Daten ab. In den letzten Jahrzehnten wurde daher ein globales Beobachtungssystem aufgebaut, das auch Windprofile von Wetterballons, Flugzeugdaten oder Windprofiler-Radarsysteme umfasst. Die meisten dieser Daten stammen jedoch aus der dicht besiedelten nördlichen Hemisphäre. Auf der Südhalbkugel, über den Ozeanen und vor allem in den Tropen ist das Netz direkter Messungen noch relativ spärlich.
Der Start des ersten Windsatelliten Aeolus der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) am 22. August 2018 war ein wichtiger Schritt in Richtung globaler Windmessungen. Dieser neuartige Satellit hat einen leistungsstarken Laser an Bord, das Atmospheric Laser Doppler Instrument (ALADIN). ALADIN ist das erste Doppler-Wind-Lidar im Weltraum, das Profile der horizontalen Windgeschwindigkeit von der Erdoberfläche oder von der Spitze dicker Wolken bis zu einer Höhe von etwa 30 km auf globaler Ebene liefert.
Dazu sendet der Satellit kurze ultraviolette Laserpulse aus, während er die Erde umkreist. Ein kleiner Teil dieser Lichtpulse wird von Luftmolekülen, Aerosolen und Wolken zum Satelliten zurückgestreut und dort im Detektor gesammelt und verarbeitet. Für eine Erdumrundung benötigt Aeolus 90 Minuten; Innerhalb einer Woche sammelt der Satellit Winddaten rund um den Globus.
Diese Daten werden von Wettervorhersagezentren auf der ganzen Welt assimiliert, um ihre Vorhersagen zu verbessern. Da es bisher keine vergleichbaren Satellitenmissionen gab, werden die Daten besonders kritisch geprüft und mit anderen Windmessungen verglichen.
Eine kürzlich veröffentlichte Studie verwendete Daten von 229 Stratosphärenballons des Loon-Projekts zwischen Juli 2019 und Dezember 2020 aus tropischen Regionen Lateinamerikas, dem Atlantik, Afrika und dem Indischen Ozean zum Vergleich. Loon war ein kommerzielles Projekt, das abgelegenen Regionen über Heliumballons in der Stratosphäre Zugang zum Internet verschafft hatte. Die Ballons mit einem Durchmesser von etwa 12 Metern fungierten als schwebende Mobilfunkstationen in Höhen von 16 bis 20 Kilometern über dem Boden.
Zur Aufrechterhaltung des Netzes mussten die Ballone die Windrichtung automatisch korrigieren, indem sie die Höhe änderten. Dadurch entstand ein umfangreicher Datensatz zu Windgeschwindigkeiten in diesen atmosphärischen Schichten, der die Lücke an Winddaten in dieser Höhe im globalen Beobachtungssystem teilweise füllt. Das Loon-Projekt wurde 2021 aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt, aber für die Atmosphärenforschung bleibt ein hochinteressanter Datensatz.
„Unsere Analyse bestätigt, dass der Aeolus-Satellit nahezu verzerrungsfreie Windmessungen in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre liefert. Dagegen unterschätzt das aktuelle ECWMF-Wettermodell die Windgeschwindigkeit dort systematisch um etwa 1 Meter pro Sekunde, was durch den nachgewiesen werden konnte Aeolus- und Loon-Daten. Diese Ergebnisse sind wichtig, um dynamische Prozesse in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre besser zu verstehen und die Wettermodelle weiter zu verbessern“, betont Dr. Sebastian Bley vom TROPOS, der bei der ESA in Frascati, Italien, an der Studie mitgearbeitet hat.
Eine weitere Empfehlung der Forscher ist, mehr vertikale Messungen durchzuführen, um mehr Windinformationen in den atmosphärischen Schichten liefern zu können. Dies könnte die Genauigkeit zukünftiger Windsatelliten weiter verbessern. Neben der Windgeschwindigkeit liefert Aeolus auch Informationen über Aerosole und Wolken, allerdings nur über einen Teil des rückgestreuten Lichts.
„Wir hoffen, dass künftige Windmissionen auch die Depolarisation messen können, also die Rotation des Lichts, wenn es reflektiert wird. Das wäre ein Meilenstein, weil der Satellit dann auch mehr Informationen über Aerosole liefern könnte“, erklärt Bley.
Aeolus wurde als Forschungsmission mit einer erwarteten Lebensdauer von 3 Jahren entwickelt, um die Technologie eines Doppler-Wind-Lidars im Weltraum zu demonstrieren. Die Erwartungen wurden jedoch übertroffen und Aeolus liefert nun seit über 4 Jahren wertvolle Daten.
Die Winddaten werden mittlerweile in den Wettervorhersagen mehrerer Wetterdienste in ganz Europa, wie dem Deutschen Wetterdienst (DWD), verwendet und überzeugen durch ihren positiven Einfluss auf die Qualität von Wettervorhersagen. Das weitere Vorgehen für die Nachfolgemission Aeolus-2 wurde kürzlich im ESA-Ministerkomitee beschlossen und wird gemeinsam von ESA und EUMETSAT entwickelt.
Im September haben Forscher aus den USA Aeolus-Daten versuchsweise in das Hurrikanmodell (HWRF) der US-amerikanischen Wetter- und Ozeanografiebehörde NOAA integriert, um Tropenstürme besser vorhersagen zu können. Ihre Schlussfolgerung ist, dass die Verwendung von Aeolus-Winddaten dort am effektivsten ist, wo es keine Aufklärungsflüge in die Hurrikane gibt, und daher den größten positiven Einfluss auf die Vorhersage tropischer Wirbelstürme im Pazifik und im Indischen Ozean haben könnte.
Mehr Informationen:
Sebastian Bley et al., Validierung der Aeolus L2B Rayleigh-Winde und ECMWF-Kurzstreckenvorhersagen in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre unter Verwendung von Loon-Superdruckballonbeobachtungen, Vierteljährliches Journal der Royal Meteorological Society (2022). DOI: 10.1002/qj.4391
Bereitgestellt vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. v.