Institut für Meteorologie und Klimaforschung

Wie weht der Wind über einem Gebirge?

Wettervorhersage und Forschung benötigen präzise und hochaufgelöste Messungen. Einerseits müssen Modelle für die Vorhersage mit Daten gespeist werden um das Wetter vorherzusagen, andererseits müssen Modelle anhand von gemessenen Wetterdaten überprüft und verbessert werden. Besonders dem Wind kommt dabei eine wichtige Rolle zu, da er für viele Phänomene eine entscheidende Einfluss- und Beobachtungsgröße ist. Bis heute sind Windmessungen jedoch nur an wenigen Orten und oft nur bodennah verfügbar. Damit kann, besonders bei komplexen Strömungssituation wie z.B. im Gebirge, die räumliche Variabilität des Windfeldes bisher nur unzureichend gemessen werden.

Um räumlich aufgelöste Windmessungen zu erhalten, entwickelt das IMK-TRO in Zusammenarbeit mit der Universität Braunschweig ein flugzeuggetragenes Doppler-Lidar zum Einsatz auf dem Forschungsflugzeug Dornier 128-6 (Abb. 1a). 

Abb. 1a: Das Forschungsflugzeug Dornier 128-6 der Universität Braunschweig im Flug
 @IFF TU-Braunschweig

Das Doppler-Lidar (Abb. 1b) erlaubt eine Fernerkundung des Windfeldes bis 10 km Reichweite bei einer zeitlichen Auflösung von 10 Hz, und stellt damit eines der leistungsstärksten verfügbaren Systeme dar. Es basiert auf einem WindTracer WTX Doppler-Lidar Gerät mit dem im Rahmen von KITcube Messkampagnen seit mehreren Jahren im bodengebundenen Betrieb sehr gute Erfahrungen gemacht wurden. Der Einsatz des Doppler-Lidars auf dem Forschungsflugzeug erlaubt nun räumlich hoch aufgelöste Messungen des Windfeldes über größere Gebiete durchzuführen.

Abb. 1b: Das Doppler-Lidar schaut durch eine Kabinenöffnung nach unten aus der Dornier 128-6
@Philipp Gasch

Besonders vorteilhaft für Messungen in komplexem Gelände ist dabei die Implementierung auf dem kleinen und flexibel einsetzbaren Forschungsflugzeug. Dank der geringen Fluggeschwindigkeit bietet das neue System eine wesentlich höhere räumliche Auflösung im Vergleich zu verfügbaren Systemen auf schnellen Jetflugzeugen, bei geringeren Betriebskosten.
Außerdem kann die Dornier 128-6 unter Sichtflugbedingungen im unteren Luftraum agieren, was Messungen in der atmosphärischen Grenzschicht ermöglicht. Die Grenzschicht ist jener Bereich der Atmosphäre welcher im Austausch mit dem Boden steht und in dem sich unser tägliches Leben abspielt. Turbulente Transportvorgänge in der Grenzschicht sind dabei von höchster Bedeutung, jedoch besonders kompliziert für Modelle und Beobachtungen.

Für erste Messungen wurde eine Testversion des Flugzeuglidars, noch ohne Scanner, fest im Flugzeug installiert und blickte durch eine Kabinenöffnung nach unten. Damit kann im Geradeausflug der Vertikalwind (Auf- und Abwinde) und im Kurvenflug der Horizontalwind gemessen werden. Eine Analyse der gewonnenen Messdaten zeigt, dass das neue System vorher nicht verfügbare Einblicke in das Windfeld mit hoher Auflösung und Genauigkeit liefert.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel eines Flugs über den Harz. Das Lidar misst den Vertikalwind unterhalb des Flugwegs und liefert alle 7 Meter eine Profilmessung. Unterhalb der freien Troposphäre, in der geringe Vertikalwindgeschwindigkeiten vorherrschen, ist die turbulente Grenzschicht erkennbar. Dort sind deutlich einzelne stärkere Aufwinde sowie großräumigere, schwächere Abwindstrukturen sichtbar. Es ist ein klarer Einfluss des Gebirges auf die Höhe und Stärke der Aufwinde erkennbar, der Dank der räumlichen Abdeckung des Flugzeuglidars erfasst wird. Auch das vertikale Profil des Horizontalwindes weist deutliche räumliche Unterschiede auf. Das so beobachtete Windfeld ist typisch für eine sich entwickelnde Grenzschicht am Morgen.

Abb. 2: 3-D Ansicht des vom Doppler-Lidar gemessenen Windfelds entlang des Flugwegs über den Harz am 18. Juli 2019 (08:43 - 08:54 Uhr Lokalzeit.) Das Flugzeug querte den Harz in einer Höhe von 3000m, darunter ist der vom Lidar gemessene Vertkalwind als Vorhang dargestellt. An drei Positionen wurde das vertikale Profil des Horizontalwinds durch das Lidar aus einem Kreisflug bestimmt. Das Profil des Horizontalwinds ist durch die mit der Höhe gestaffelten Windvektoren dargestellt.
 @Philipp Gasch

Als Teil der Messkampagne „Swabian MOSES“ wird das Flugzeuglidar in einer weiterentwickelten Form mit optischem Scanner demnächst für die Messung des Windfelds in Gewitternähe eingesetzt. Dank der Flexibilität und hohen Auflösung können damit Strömungsprozesse im Gewitterumfeld mit hohem Detailgrad untersucht werden. Somit kann die neueste Generation von hochauflösenden Wettermodellen auch zukünftig mit Daten gespeist und validiert werden.

Literatur:

Gasch, P., Wieser, A., Lundquist, J. K., & Kalthoff, N. (2020): An LES-based airborne Doppler lidar simulator and its application to wind profiling in inhomogeneous flow conditions. Atmospheric Measurement Techniques, 13(3), 1609-1631, https://doi.org/10.5194/amt-13-1609-2020

Weitere Informationen im Internet:

KITcube Gesamtbeobachtungssystem zur Sondierung der Atmosphäre
https://www.kitcube.kit.edu

Forschungsflugzeug Dornier 128-6
https://www.tu-braunschweig.de/forschungsflugzeug

Doppler-Lidar System und Messprinzips
http://www.imk-tro.kit.edu/7862.php

Arbeitsgruppe: "Landoberfläche und Grenzschicht"