Klima- und Wetterforschung: Neuer Hochleistungslaser könnte Wettervorhersage revolutionieren

Wetterprognosen und Klimasimulationen könnten künftig wesentlich genauer werden. Möglich macht das die Lidar-Methode, die weltweit präziseste Technik zur Fernerkundung der Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Mit neuartigen Geräten ist Forschern der Uni Hohenheim ein entscheidender Durchbruch gelungen.

Wetterprognosen könnten bald sehr viel genauer und zuverlässiger werden. Hier zu sehen: Luftbild vom Hohenheimer Schloss. Bildquelle: © Universität Hohenheim, Maximilian Pircher

Wetterprognosen könnten bald sehr viel genauer und zuverlässiger werden. Hier zu sehen: Luftbild vom Hohenheimer Schloss.

In den Hohenheimer Systemen kommt die neueste Hochleistungslaser-Technologie zur Anwendung. Ein internationales Forscherteam hat jetzt verschiedene Methoden zur Fernerkundung miteinander verglichen. Das Ergebnis: Die Hohenheimer Lidar-Systeme (Lidar steht für Light Detection and Ranging) messen Wasserdampf und Temperatur in den unteren Atmosphärenschichten genauer und mit höherer Auflösung als alle anderen Systeme. Auch die Klimaforschung kann von der neuen Technik profitieren.

Der Hintergrund

Will man den Wasser- und Energiekreislauf im Erdsystem besser verstehen, sind möglichst genaue Darstellungen von Wasserdampf- und Temperaturprofilen in der unteren Troposphäre elementar. Fernerkundung liefert bereits heute wichtige Daten. »Diese sind jedoch noch recht ungenau«, bemängelt Prof. Dr. Volker Wulfmeyer, Leiter des Instituts für Physik und Meteorologie. »Besonders die Daten in Bodennähe lassen sehr zu wünschen übrig, Profile können praktisch noch nicht erstellt werden. Es ist kaum zu glauben, wie lückenhaft unser Wissen über die Temperatur- und Feuchteverteilung in der Region ist. Man muss diesen Bereich noch heute als Terra Incognita bezeichnen. Dieses mangelhafte Wissen behindert elementar Fortschritte in der Qualität von Wettervorhersagen und Klimasimulationen.« Diese Lücken konnten die Forscher mit Lidar schließen.

Die Technologie

Der Laser sendet einen kurzen Impuls in die Atmosphäre aus und analysiert dann das zurückgestreute Licht. Um Informationen über die Temperatur zu erhalten, arbeiten die Forscher im nicht sichtbaren UV-Bereich, zur Wasserdampf-Messung schickt Lidar einen infraroten Laserstrahl gen Himmel. Die Laufzeit der Signale lässt auf die Entfernung schließen. Die Signale sind so stark, dass innerhalb von Sekunden genaue Profile bis zu einer Höhe von mehreren Kilometern gemessen werden können.

3D-Darstellungen

Eine Besonderheit der Hohenheimer Methode besteht darin, dass sie auch dreidimensionale Darstellungen ermöglicht. »Dafür wird der Laser wie ein Radar während des Messvorgangs gekippt«, erläutert Prof. Dr. Wulfmeyer. »Ohne diese Technik erhält man nur Informationen aus dem Teil der Atmosphäre, der senkrecht über dem Laser steht. Mit unserer Messung legen wir dagegen einen kompletten Schnitt von mehreren Quadratkilometern über die Landschaft.« Und das sei besonders für die Entwicklung besserer Wettervorhersagemodelle interessant.


Koautor der aktuellen Studie, Dr. Turner, bestätigt: »Einige hochentwickelte Lidar-Systeme haben über zehn Jahre lang Daten zu Wasserdampf und Temperatur gesammelt. Dazu zählt auch der Wasserdampf-Lidar, den wir im ‚Atmospheric Radiation Measurement‘-Programm verwenden. Diese Systeme sammeln jedoch nur Daten der direkt darüber befindlichen Luftsäule. Ein Alleinstellungsmerkmal der Hohenheimer Lidar-Systeme ist ihre Fähigkeit, mit Hilfe eines Scanners Temperatur und Wasserdampf in allen drei Dimensionen zu messen.«