Neue Messkampagne verbessert Wettervorhersagen bei Gewittern und Starkregen

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Mit einem Netzwerk aus Bodenstationen, Fernerkundungssystemen,
Wetterballons, Drohnen und Satellitendaten untersuchen Forschende die
untersten Atmosphärenschichten über der Kölner Bucht / Neue Verfahren des
maschinellen Lernens verknüpfen die Datenquellen miteinander, um Modelle
zu verbessern

Die groß angelegte meteorologische Messkampagne VITAL II ist gestartet.
Das Ziel des Forschungsprojektes ist es, die bislang unzureichende
Beobachtung der unteren ein bis zwei Kilometer der Atmosphäre zu
verbessern. In diesem Bereich entwickeln sich viele Prozesse, die für
Gewitter, Starkregen und lokale Wetterextreme entscheidend sind. Unter
Leitung von Wissenschaftler*innen der Universität zu Köln erfassen die
Forschenden in den kommenden drei Monaten die atmosphärische Grenzschicht
über der Kölner Bucht zwischen Köln, Bonn und Aachen in einer hohen
räumlichen und zeitlichen Auflösung. Die Kampagne ist eine
Forschungskollaboration des Hans-Ertel-Zentrums für Wettervorhersage
(HErZ), geleitet durch Forschende der Universität zu Köln mit dem
Deutschen Wetterdienst (DWD) und den Universitäten Bonn, Tübingen,
Hamburg, München und Frankfurt.

Obwohl sich Wettervorhersagen in den vergangenen Jahrzehnten
kontinuierlich verbessert haben, bleiben insbesondere kurzfristige
Vorhersagen (bis zu 24 Stunden) von sommerlichen Gewittern und
Starkregenereignissen fehleranfällig. Ein wesentlicher Grund dafür sind
fehlende Messdaten aus der atmosphärischen Grenzschicht. „Wetterballons,
Satelliten oder Messungen an Bord von Flugzeugen liefern zwar wertvolle
Informationen, können die raschen Veränderungen von Temperatur,
Luftfeuchtigkeit und Wind in diesem Bereich jedoch nicht ausreichend
erfassen“, erklärt Projektleiter Professor Dr. Ulrich Löhnert vom Institut
für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln. „Für eine
präzisere Wettervorhersage benötigen wir deutlich mehr Informationen über
die Prozesse direkt über der Erdoberfläche.“

Für VITAL II haben die Kooperationspartner in der Kölner Bucht ein dichtes
Beobachtungsnetz aufgebaut. Sieben hochmoderne Fernmessstandorte erfassen
kontinuierlich Wind, Turbulenz, Temperatur und Luftfeuchtigkeit mithilfe
verschiedener Fernerkundungssysteme. Ergänzt werden sie durch mehr als
fünfzig automatische Bodenstationen, die meteorologische Daten nahe der
Erdoberfläche aufzeichnen. Während einer intensiven Beobachtungsphase von
Juni bis August kommen zusätzlich meteorologische Drohnen zum Einsatz, die
Messungen bis in Höhen von rund zwei Kilometern ermöglichen. Parallel dazu
starten Studierende der Universitäten Köln und Bonn bis zu 120
Wetterballons als Referenzmessungen. Erstmals werden diese Daten außerdem
mit den Beobachtungen des neuen geostationären Satelliten MTG-S1
kombiniert, dessen Infrarot-Messinstrument kontinuierliche
dreidimensionale Temperatur- und Feuchteprofile über Europa liefert.

Die gewonnenen Daten werden über ihre begrenzte regionale Bedeutung
zeigen, wie sich die Beobachtung der atmosphärischen Grenzschicht durch
die Kombination satelliten- und bodengestützter Messverfahren verbessern
lässt. Dafür entwickeln Forschende der Universität zu Köln neue Verfahren
des maschinellen Lernens, die unterschiedliche Datenquellen miteinander
verknüpfen und zu hochaufgelösten Profilen der unteren Atmosphäre
zusammenführen. Die Datensätze werden anschließend genutzt, um den
Einfluss der Profile auf Wettervorhersagen systematisch zu untersuchen und
die Darstellung turbulenter Prozesse in Wettermodellen weiterzuentwickeln.
Darüber hinaus bietet die Kampagne die Möglichkeit, die Entstehung von
Gewittern und sogenannten Cold Pools – lokale Kaltluftflüsse mit
erheblichem Einfluss auf die weitere Gewitterentwicklung – besser zu
verstehen.

„Langfristig tragen die Ergebnisse von VITAL II dazu bei, Wetterwarnungen
für Gewitter, Starkregen und andere Extremereignisse zuverlässiger zu
machen. Die Messkampagne liefert zudem wichtige Erkenntnisse für
zukünftige Beobachtungsnetze und die Nutzung neuer Satellitengenerationen
in der Wettervorhersage“, so Professor Dr. Löhnert.