Wertvolle Messdaten für Wetterprognosen und Klimaanalysen

19. September 2018, 7 Kommentare

Seit 70 Jahren führt MeteoSchweiz hochpräzise Messungen der Atmosphäre mit Radiosonden durch. Diese Messungen bilden eine wichtige Grundlage für Wettervorhersagen und Klimaanalysen. Ein Teil dieser Radiosondierungen wird neu automatisiert. Christian Félix, Projektleiter „Automatische Radiosondierungen“ verrät uns im Interview Details zur automatischen Messung.

Die AS-15 Autosonde der Firma Vaisala besteht aus einer Box, die Automaten und Sonden enthält, die darauf warten, gestartet zu werden, und einem Inflationsschlauch (rechts im Bild). Der Wetterballon wird wenige Minuten vor dem Flug mit Wasserstoff aufgepumpt. Die Türen oberhalb der Röhre schützen das Gehäuse vor Wetter und Wind, sie öffnen sich kurz vor der Freigabe des Ballons.
Die AS-15 Autosonde der Firma Vaisala besteht aus einer Box, die Automaten und Sonden enthält, die darauf warten, gestartet zu werden, und einem Inflationsschlauch (rechts im Bild). Der Wetterballon wird wenige Minuten vor dem Flug mit Wasserstoff aufgepumpt. Die Türen oberhalb der Röhre schützen das Gehäuse vor Wetter und Wind, sie öffnen sich kurz vor der Freigabe des Ballons.

Was ist eine Radiosondierung und wie funktioniert diese?

Bei einer Radiosondierung wird der Zustand der Erdatmosphäre mittels einer Radiosonde gemessen. Diese Radiosonde wird von einem Ballon in die Höhe getragen. Der Ballon ist mit einem Gas gefüllt, das leichter ist als Luft. Mit einer vertikalen Geschwindigkeit von 5 m/s durchfliegt die Ballonsonde verschiedene atmosphärische Schichten. Dabei steigt sie vom Boden (490 M.ü.M. in Payerne) bis zu einer ungefähren Höhe von 35 km auf, bis der Ballon dann platzt und die Sonde an einem Fallschirm auf die Erde zurückschwebt.

Welche Parameter werden durch die Sonde erfasst?

Mit einem Platin-Widerstands-Thermometer wird die Temperatur erfasst, mit einem kapazitiven Feuchtesensor die Luftfeuchtigkeit. Die Höhe und Position der Sonde werden mittels GPS aufgezeichnet. Von den erfassten Messwerten sind die Windgeschwindigkeit und Windrichtung sowie der Luftdruck abzuziehen.

Können diese Parameter auch von anderen Messsystemen aufgezeichnet werden?

Ja, sie können auch mit anderen Messsystemen ermittelt werden: beispielsweise durch Windprofiler, Mikrowellen-Radiometer, LIDAR sowie anhand der von Linienflugzeug-Instrumenten erfassten Daten. Radiosondierungen zeichnen sich durch ihre hochpräzisen, hochauflösenden Messwerte und das breite Höhenspektrum aus, das sie abdecken.

Warum sind die Messungen der Sonde ausserordentlich wichtig sowohl für die Wettervorhersage als auch für die Klimaanalyse?

Die ermittelten Werte fliessen direkt in die zu erstellenden Wetterprognose-modelle ein, denn sie geben Aufschluss über den Zustand der Atmosphäre in ihrer auswertbaren Gesamthöhe – an einem genau definierten Ort, zu einer genau definierten Uhrzeit. Anhand der so erstellten Wetterprofile können instabile Wetterlagen, die zu Unwettern führen können, erkannt und analysiert werden.

In Bezug auf die Klimaanalyse ist es dank der hohen Präzision dieser Mess-systeme möglich, Klimaveränderungen zu erfassen, die sich in der Atmosphäre abzeichnen.

Alle Wettersatelliten, die sich derzeit im Einsatz befinden, nutzen zudem die mittels Radiosondierung erfassten Messwerte, um die von ihnen generierten Algorithmen zur Erstellung von Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen damit abzugleichen.

Seit wann ist die automatische Radiosondierung in Payerne in Betrieb?

Die Anlage zum automatischen Steigenlassen der Ballonsonden ist seit April 2018 in Betrieb. Klassische Radiosondierungen werden bereits seit 1948 durchgeführt.

Wie funktioniert die automatische Messung? Was ist anders im Vergleich zur manuellen Messung?

Bei beiden Methoden sind sowohl die Sonde selbst als auch das eingesetzte System zur Datenerfassung absolut identisch. Sie unterscheiden sich jedoch dadurch, dass bei einer automatischen Radiosondierung die Befüllung des Ballons, die Auflassung der Sonde, die Einschaltung der Messinstrumente, die qualitative Prozessüberwachung und die Übermittlung der Messwerte automatisch geschehen. Es gibt jedoch auch «Sondermissionen», um zusätzliche Parameter wie Ozon- oder Aerosolkonzentrationen zu ermitteln. Dafür braucht es immer noch den Menschen. Die Operateure von MeteoSchweiz führen auch Aufklärungsflüge durch. Dabei werden mehrere Sonden am gleichen Ballon befestigt. Die erfassten Messwerte können so miteinander abgeglichen, qualitativ überprüft werden und sind rückverfolgbar.

Was hat sich durch die Einführung der automatischen Radiosondierung verändert?

Für unsere Kunden gab es nur geringfügige Veränderungen. Die Messdaten werden jetzt dank automatischer Datenübertragung noch schneller übermittelt.

Für uns hat sich der mit Radiosondierungen verbundene Arbeitsaufwand deutlich verringert. Das ist vorteilhaft, denn für andere Messsysteme ist aufgrund der erforderlichen Messdatendichte eine gewisse Anzahl Operateure erforderlich. So entwickelt sich auch der Beruf des Radio-sondierungstechnikers stetig weiter, um auch die neuen Bedürfnisse abzudecken.

Welche Herausforderungen entstehen durch die Einführung der automatischen Radiosondierung?

Aus technischer Sicht ist es prioritär, die hohe Qualität und breite Verfügbarkeit der Radiosondierungsdaten sicherzustellen. Die Station in Payerne gehört zum weltweiten Referenznetz für aerologische Messungen GRUAN (GCOS Reference Upper Air Network). Deshalb ist es wichtig, dass die Radiosonden, die von Payerne aufgelassen werden, regelmässig hohe Flughöhen erreichen. Bis heute hat das immer bestens funktioniert.

Und was die Operateure betrifft, so ist es Aufgabe der verantwortlichen Führungskräfte, die notwendigen Veränderungen, die das neue Berufsbild mit sich bringen, in den Stellenprofilen ihrer Mitarbeitenden umzusetzen und diese unterstützend zu begleiten. Kommunikation, Dialog und Weiterbildung, so lauten die Schlüsselbegriffe bei MeteoSchweiz in diesem Zusammenhang.

Welche Chancen bietet die automatische Radiosondierung?

Das automatische Radiosondierungssystem gestattet uns neu auch die Durchführung zusätzlicher Flüge, die wir auf Anfrage hin vornehmen, um aussergewöhnliche meteorologische Ereignisse detaillierter zu erfassen, zum Beispiel im Hinblick auf mögliche Unwetterwarnungen.

Weltweit gibt es ungefähr 600 bis 700 Sondierungsstationen. Warum ist ein solches Netz wichtig?

Von jeder der 600 bis 700 aerologischen Stationen rund um den Globus werden täglich zwei oder mehr Radiosonden aufgelassen. Daran kann man erkennen, wie wichtig die Erfassung solcher Messdaten für die Qualität der Wetterprognosemodelle ist.

Weiterführende Informationen

Medienmitteilung
Atmospheric Science – University of Wyoming (in Englisch)

Kommentare (7)

  1. Aaron E., 25.09.2018, 17:22

    Eine kurze Frage: Wird es in den nächsten Jahren neue Messsysteme/Wetterdtationen geben?

    1. MeteoSchweiz, 26.09.2018, 09:55

      Mit dem Abschluss des SwissMetNet-Projektes ist aktuell kein Ausbau des Messnetzes geplant. Im Rahmen vom normalen Betrieb besteht aber die Möglichkeit, dass einzelne manuelle Niederschlagsmessstationen bspw. in Zusammenarbeit mit den Kantonen automatisiert werden. Dieses Jahr ist in Zusammenarbeit mit den Kantonen Aargau und St. Gallen die Automatisierung der Stationen Kaiserstuhl, Barmelweid und Eggersriet geplant. Nächstes Jahr ist in Zusammenarbeit mit dem Kanton Zürich die Automatisierung weiterer NIME-Stationen geplant.

  2. Bruno Styger, 20.09.2018, 08:21

    Besten Dank für den interessanten Artikel. Betreffend der Sonde: hat es schon Kollisionen mit Flugzeugen gegeben? Struktur, Triebwerke etc. Die Messgeräte der Sonde sind also jedes Mal verloren. Einweg Gebrauch. Was kosten dieselben? Auf dem ersten Bild sind die erwähnten Gegenstände nicht so gut erkennbar! Z.b inflations Rohr etc. Was ist das genau...
    Dem ganzen Team einen schönen Tag. Es grüßt b styger.

    1. MeteoSchweiz, 24.09.2018, 11:09

      Die Kosten einer Standard-Radiosonde liegen alles eingeschlossen (Radiosonde, Ballon, Ventil, Schnur und Gasfüllung) bei rund CHF 250. Eine Radiosonde wieder zu verwenden und erneut aufsteigen zu lassen, wäre aufgrund des erforderlichen Aufwands teurer als eine neue Sonde. Die teureren Ozonradiosonden werden im Gegensatz dazu wiederverwendet und fliegen mehrere Male.

      Das Aufblasrohr dieser Anlage befindet sich rechts im Bild. Es ist vom Behälter und dem Rest der Anlage getrennt. Durch diese Anordnung kann der Aufblasbereich (in dem wegen der Verwendung von Wasserstoff als Trägergas Explosionsgefahr besteht) klar von der übrigen Einrichtung getrennt werden, die somit nicht den gleichen Bauvorschriften entsprechen muss.

  3. s.b, 19.09.2018, 19:38

    Sehr interessant, vielen Dank für den Beitrag!
    Wie wird die Problematik einer etwaigen kollision mit dem Luftverkehr (zivil oder privat) verhindert? (je nach Wind kann ja die Sonde bei Flughöhe mehrere km weit vom seinem
    Startpunkt weg sein) Das Aufsammeln der Sonden stelle ich mir zum Teil sehr abenteuerlich vor. (Wald, Berg,See, Wohngebiete)

    1. MeteoSchweiz, 24.09.2018, 11:11

      In Studien wurde statistisch nachgewiesen, dass das Risiko einer Kollision mit einem Flugzeug ausgesprochen gering ist (siehe zum Beispiel https://aerovel.com/wp-content/uploads/2015/03/aerosonde-hazard-estimation.pdf). Unseres Wissens gab es weltweit noch keinen einzigen solchen Fall.
      Sollte es angesichts dessen aber dennoch zu einem Zusammenstoss kommen, verhindern gesetzliche Regelungen, dass dieser das betreffende Flugzeug in Gefahr bringt. Beispielsweise dürfen wir bei Ballonsonden nur Nutzlasten bis maximal 2 kg verwenden. Ein Zusammenstoss mit einer aktuellen Radiosonde von nur 109 g Gewicht würde zu keinen grösseren Schäden führen als der Zusammenstoss mit einem Vogel, der bei Flugzeugen sehr viel häufiger vorkommt. Auch die Schnur, die die Sonde mit dem Ballon verbindet, muss strengen Normen entsprechen und muss bei einer Belastung von 115 N nachgeben.

      MeteoSchweiz verzichtet ausser in Ausnahmefällen auf die aktive Bergung von Radiosonden. Die Sonden sind mit Beschriftungen versehen, die Hinweise für die Wiederverwertung der Bestandteile oder die Rücksendung per Post an MeteoSchweiz enthalten. In letzterem Fall sorgt MeteoSchweiz selbst für die Entsorgung und trägt selbstverständlich die Portokosten.

    2. s.b, 24.09.2018, 18:28

      Interessant, vielen Dank für die Antwort.