Exakte Wettervorhersagen basieren auf numerischen Simulationen der Atmosphäre, im Alltag «Wettermodelle» genannt. Auf Hochleistungs-Supercomputern berechnen diese Wettermodelle die Strömung der Atmosphäre und die Entwicklung von Wolken und Niederschlag auf Stunden bis Tage in die Zukunft voraus. Als Grundlage für diese Berechnung benötigen die Wettermodelle eine möglichst exakte Beschreibung des Zustands der Atmosphäre (Druck-, Temperatur- und Feuchteverteilung) zum Startzeitpunkt der Rechnung. Kleinste Unsicherheiten in diesen Anfangsbedingungen, auch «Analyse» genannt, schaukeln sich mit fortschreitender Dauer der Berechnung rasch zu gröberen Fehlern in der Prognose auf, wie in nachfolgender Grafik schematisch dargestellt. 

Einen wesentlichen Anteil an den Unsicherheiten in den Wetterprognosen hat die Feuchtigkeit. Deren exakte Verteilung zu einem bestimmten Zeitpunkt zu messen ist nahezu ein Ding der Unmöglichkeit: So liefern Radiosonden beispielsweise präzise Messungen, stehen jedoch nur für bestimmte Zeitpunkte und wenige Orte zur Verfügung. Satelliten wiederum können zwar flächendeckende Informationen liefern, beschränken sich aber auf die mittleren und höheren Luftschichten und sind relativ ungenau. 

Fliegende Messplattformen

Moderne Laser-gestützte Messgeräte, sogenannte «scanning LIDAR» Instrumente können hier weiterhelfen, da sie einerseits permanent messen und mit zusätzlicher Mechanik auch zweidimensionale Scans der Atmosphäre erstellen können. Diese Technologie wird schon seit längerem bei meteorologischen Forschungsprojekten wie beispielsweise der jüngst über dem Nordatlantik durchgeführten «North Atlantic Waveguide, Dry Intrusion, and Downstream Impact Campaign» Messkampagne, kurz NAWDIC, eingesetzt. 

MeteoSchweiz geht noch einen Schritt weiter: In Miniaturgrösse gefertigte «scanning LIDARs» werden an Rotmilanen befestigt, um in einem grossen Gebiet und selbst in unzugänglichem Gelände Feuchteprofile der bodennahen Luft zu messen und für die Datenassimilation in unsere kleinmaschigen Wettermodelle bereitzustellen. Das in der Forschung für einzelne spezifische Anwendungen entwickelte Messprinzip wird damit auf dem grossen Massstab des Alpenraums skaliert und in den operationellen Betrieb überführt.

Rotmilane sind als natürliche fliegende Messplattformen für das «Airborne Laser scanning» einerseits auf Grund ihrer Grösse besonders gut geeignet und andererseits, weil sie in der Thermik oder in laminaren Aufwinden verhältnismässig ruhig dahingleiten. Die stabile Fluglage ermöglicht eine Extraktion präziser 2D-Scans der relativen Feuchte entlang der Flugbahn des Vogels, da die geringen Bewegungen des Instruments Messungen mit einem hohen «signal to noise ratio» (Signal-Rauschverhältnis) ermöglichen und nachträgliche Korrekturen vermieden werden können. 

Zum Einsatz kommen kostengünstige KY-008 Laser mit einer Wellenlänge von 650 nm, welche von anderen Vögeln in unmittelbarer Nähe nicht wahrgenommen werden können und zu keinen Verletzungen führen. Das kleine und nur wenige Gramm schwere Instrument sollte den Trägervogel in seinem natürlichen Verhalten nicht stören und typische Flughöhen von mehreren Hundert Metern über Grund ermöglichen. Die Ortung und die Signalübermittlung zur MeteoSchweiz Datenzentrale erfolgt über GPS, wobei das Signal aus Datenschutzgründen verschlüsselt übertragen wird.

Erste positive Erfahrungen

Erste Rotmilane wurden bereits mit dem Messgerät ausgestattet und obwohl sie bei der aktuellen Witterung noch zurückhaltend unterwegs sind zeigen sich die Effekte dieser zusätzlichen Feuchteinformation in der Qualität der Wettervorhersage bereits deutlich, wie das folgende Beispiel illustriert. 

Die Wettervorhersage mit zusätzlicher, von den Rotmilanen gemessenen Feuchteprofilen weist eine signifikant höhere räumliche Variabilität auf. Das wirkt sich positiv auf die Repräsentation von kleinskaligen Quellwolken oder lokalen Unterschieden der Besonnung im Modell aus. 

Langfristig ist geplant, das Messprinzip auf weitere Vogelarten auszuweiten: Derzeit laufen Machbarkeitsstudien mit nachtaktiven Vögeln wie Eulen oder Kormoranen. Letztere legen deutlich längere Strecken zurück und können dadurch noch mehr Informationen sammeln als die Rotmilane. Voraussetzung wäre eine Weiterentwicklung des Messgerätes, welches bei einem Einsatz auf dem Kormoran unterwassertauglich sein müsste.