HOPE 2013
(HD(CP)2 Observational Prototype Experiment)
Wolken sind immer noch die große Unbekannte im Klimasystem der Erde und können in den Klimamodellen nicht ausreichend genau abgebildet werden.
Im Fokus der aktuellen Wolkenforschung steht daher die Frage: Wie verändern sich Wolkenbildung und Niederschläge bei verschiedenen Erwärmungsgraden in einzelnen Regionen? Um Antworten darauf geben zu können, arbeiten Wissenschaftler daran, die Prozesse, die zur Bildung von Wolken führen, besser zu verstehen.
Forscher fangen Wolken ein
Die Kampagne HOPE war Bestandteil des Forschungsprojektes "Wolken- und Niederschlagsprozesse im Klimasystem - HD(CP)2", bei dem sowohl die räumliche Struktur von Wolken als auch deren Partikelzusammensetzung untersucht wird. Das Kürzel HD(CP)2 steht für den englischen Projektnamen „High Definition Clouds & Precipitation in Climate Prediction“. Vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) wird das vom Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) koordinierte Projekt mit insgesamt elf Millionen Euro gefördert. Die mehr als 120 beteiligten Forscher aus 17 Instituten erhoffen sich von den Messungen einen Durchbruch im Verständnis von Wolken- und Niederschlagsbildung und eine signifikante Verbesserung von Wetter- und Klimamodellen.
Pyranometer, Quelle: Patric Seifert/TROPOS
Messkampagne im Frühjahr in Jülich
Die erste Messkampagne mit dem optimistischen Namen HOPE fand von April bis Juli 2013 in Nordrhein-Westfalen in einem etwa zehn mal zehn Quadratkilometer großen Gebiet um das Forschungszentrum Jülich statt. Sogenannte „Supersites“ erfassten die räumlichen Temperatur-, Feuchte- und Wolkenfelder bis etwa zehn Kilometern Höhe mit schwenkbaren Lidar- und Radargeräten und einer Vielzahl von Bodensensoren für Temperatur, Feuchte und solarer Einstrahlung. Mehr als 20 solcher Fernerkundungsgeräte waren koordiniert und zumeist rund um die Uhr im Einsatz, um möglichst viele Wettersituationen einzufangen. Ziel: das bisher vollständigste Bild des Entstehens und der Entwicklung von Wolken.
Eine Beitrag dazu leisteten auch 100 im Gelände verteilte Pyranometer (Strahlungssensoren), mit denen erstmals in Deutschland die räumlichen Schwankungen in der Sonneneinstrahlung verteilt über eine ganze Region gemessen werden konnten.
Messkampagne im Herbst in Melpitz
Um eine breitere Datenbasis zu haben, wurden die Messungen im September an der TROPOS-Station in Melpitz mit Unterstützung der Universität Leipzig und der Ludwig-Maximilians-Universität München fortgesetzt. Die Eigenschaften von Aerosolen und Wolken wurden in der bodennahen Atmosphäre bis etwa zwei Kilometern Höhe über Melpitz gemessen. Dazu kam in der Luft das mobile Messgerät ACTOS zum Einsatz, dass per Hubschrauber in die Wolken eingetaucht wird und direkt vor Ort misst. Das Herbstwetter ließ in drei Wochen lediglich sieben Messflüge zu. Vom Erdboden aus wurde die Situation mittels Radiowellen- und Laserlicht-Radar (kurz Lidar) untersucht. Zudem wurden die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Aerosols direkt am Boden analysiert. Im Umkreis der Messstation wurden zahlreiche automatische Strahlungsmessgeräte aufgestellt, um die Wirkung von Wolken auf die am Boden ankommende Sonnenstrahlung zu bestimmen. Insgesamt 300 Radiosondenaufstiege komplementierten die aufwändigen Messungen. Das Experiment bot somit die seltene Gelegenheit, Beziehungen zwischen den Eigenschaften des Aerosols am Boden und denen des Aerosols und der Wolken in der Atmosphäre über Melpitz zu untersuchen.
ACTOS in Flugvorbereitung, Quelle: Birgit Wehner/TROPOS
Hubschrauberstart für die HOPE-Messflüge in Torgau bei Leipzig, Quelle: Birgit Wehner/TROPOS
Hubschrauber mit angekoppelter ACTOS Messplattform, Quelle: Birgit Wehner/TROPOS
Lidar-Messung in Melpitz, Quelle: Tilo Arnhold/TROPOS
Laserlicht als Brücke
Den Brückenschlag zwischen den Bodenmessungen und den hubschraubergetragenen Messungen von ACTOS bildete dabei die Fernerkundung mit Lidar und Radar. „Unser Ziel ist es, die existierende Methoden zur Bestimmung von Wolken- und Aerosoleigenschaften aus Lidar- und Radardaten anhand der ACTOS-Messungen zu verifizieren und neue, verbesserte Methoden zu entwickeln“, erkläutert Dr. Patric Seifert vom TROPOS, der die Messungen koordiniert hat. Für Untersuchungen des Transports von bodennahen Aerosolpartikeln in die Atmosphäre und in Wolken wurde in Melpitz ein Dopplerlidar betrieben, dass die Stärke von Auf- und Abwinden, den sogenannten Vertikalwind, mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung (75 Meter, 1 Sekunde) messen kann. Das Wachstum von Wolken hängt unter anderem stark von der Intensität des Vertikalwindes ab. „Deshalb boten gerade die Messungen des Vertikalwindes in Kombination mit denen von Lidar-, Radar- und ACTOS die Möglichkeit zur Entwicklung neuer Methoden zur Bestimmung von Aerosol- und Wolkeneigenschaften mit bodengebundenen Messungen.“
TROPOS-Messcontainer in Melpitz, Quelle: Patrick Seifert/TROPOS