Radiosonden- und Dropsonden-Messungen während NAWDIC

Während der Wintermonate entwickeln sich über dem Nordatlantik häufig Tiefdruckgebiete, die regelmäßig West- und Mitteleuropa beeinflussen. Diese Wettersysteme sind häufig mit starken Winden, intensiven Niederschlägen und Kaltluftausbrüchen verbunden, die zu extremen Wetterereignissen (High-Impact Weather) führen können und dabei weitreichende sozioökonomische Schäden verursachen. Um unser Verständnis der dynamischen und physikalischen Prozesse zu verbessern, die zu solchen Winterwetterereignissen führen, und letztlich auch deren Vorhersage zu verbessern, wurde die NAWDIC Kampagne (North Atlantic Waveguide, Dry Intrusion, and Downstream Impact Campaign) durchgeführt (https://www.nawdic.kit.edu/). Diese internationale Messkampagne fand im Winter 2026 statt und sammelte Beobachtungen sowohl mit Forschungsflugzeugen als auch mit bodengebundenen Messinstrumenten. Die Kampagne konzentrierte sich auf Wettersysteme, für welche Hinweise auf systematische Defizite in Wettervorhersagemodellen bestehen. Zu diesem Zweck wurden drei europäische Forschungsflugzeuge, darunter das „High Altitude and Long Range Research Aircraft“ HALO (https://www.dlr.de/de/forschung-und-transfer/projekte-und-missionen/halo), von Irland aus eingesetzt. Während 18 Forschungsflügen in Höhen zwischen 4 und 14 km deckten die HALO-Messungen große Teile des Nordatlantiks ab (Abb. 1). Zusätzlich zur flugzeuggestützten Komponente wurden bodenbasierte Messungen an der westeuropäischen Küste in Frankreich mit dem KITcube, der mobilen atmosphärischen Messplattform des KIT, durchgeführt.

Ein zentraler Schwerpunkt der Kampagne war die Untersuchung der sogenannten Dry Intrusion (DI), einer kohärenten Luftströmung, die vom Rand oberer troposphärischer Rücken äquatorwärts absinkt und in den Kaltsektor nachgelagerter Tiefdruckgebiete eindringt. Der sogenannte DI-Outflow in der unteren Troposphäre ist sehr trocken und häufig mit extremen Wetterereignissen wie beispielsweise starken Windböen verbunden. Beim Absinken kann die DI mit der Kaltfront von Tiefdruckgebieten interagieren. Die genauen Prozesse dieser Wechselwirkung sowie deren Einfluss auf Frontcharakteristika und zugehörige Niederschläge sind jedoch bislang noch nicht vollständig verstanden. Im Gegensatz zur trockenen, absinkenden Luft der DI, die häufig einen starken Feuchtegradienten an der Oberkante der Grenzschicht erzeugt, ist die Kaltfront mit feuchter, nahezu gesättigter Luft verbunden. Vertikale Profilmessungen von Feuchte, Temperatur und Wind sind daher besonders wertvoll, um diese Strukturen und ihre Wechselwirkungen besser zu charakterisieren und zu verstehen.
Solche Beobachtungen können mit Wetterballons, sogenannten Radiosonden, gewonnen werden. Während der Intensivbeobachtungsperioden (Intensive Observation Periods, IOPs) von NAWDIC wurden am KITcube-Standort circa alle drei Stunden Radiosonden gestartet, um die thermodynamische Entwicklung während des Durchgangs einer Kaltfront sowie des nachfolgenden Kaltsektors und der DI über dem Messstandort zu erfassen. Während des Aufstiegs treiben die Ballons mit dem Wind und liefern Messungen entlang ihrer Flugbahn (Abb. 2). Die Verteilung der Radiosonden-Drift spiegelt die vorherrschende südwestliche bis nordwestliche Strömung wider, die typisch für extreme Winterwetterlagen ist (Abb. 2). Das Beispiel einer IOP im Januar (Abb. 3) zeigt sehr hohe gemessene Windgeschwindigkeiten in der Grenzschicht, welche mit dem Durchgang einer Kaltfront verbunden sind.

Eine Einschränkung bodengebundener Messungen besteht darin, dass sie an einen festen Startort gebunden sind. Um diese Einschränkung zu überwinden, können Dropsonden von Forschungsflugzeugen ausgesetzt werden, um gezielt bestimmte Wettersituationen zu untersuchen. Während NAWDIC wurde vom Forschungsflugzeug HALO ein neuartiges Multi-Sensor-Dropsondensystem, die KITsonde (Kottmeier et al., 2025; https://www.imk-tro.kit.edu/english/12866.php), eingesetzt. Das KITsonde-System kann gleichzeitig bis zu vier einzelne Sonden freisetzen, die jeweils mit unterschiedlich großen Fallschirmen ausgestattet sind. Dadurch driften die Sonden während ihres Abstiegs auseinander und ermöglichen zusätzlich Messungen der mesoskaligen Variabilität (Abb. 4). Ein Beispiel für gezielte Beobachtungen einer Kaltfront war der Forschungsflug 'Killaloe' Ende Februar. Während dieses Fluges lieferte ein 'Vorhang' aus Dropsonden über DI-Outflow, Kaltfront und Warmsektor detaillierte mesoskalige Messungen (Abb. 4). Die DI ist durch sehr trockene Luft gekennzeichnet und bildet einen ausgeprägten Feuchtegradienten an der Obergrenze der Grenzschicht, während Luftmassen im Frontbereich und Warmsektor bis in größere Höhe nahezu gesättigt sind. An der Grenzfläche zwischen der absinkenden DI und der Kaltfront mischen sich Luftmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften, was zu kleinskaliger Variabilität und vertikaler Schichtung im Feuchteprofil führt.

Die in-situ-Profilmessungen werden nicht nur für detaillierte Prozessstudien genutzt, sondern spielen auch eine wichtige Rolle für die Wettervorhersage, da sie wesentliche Beobachtungen für die Datenassimilation liefern (z.B. Laroche und Sarrazin, 2013). Operativ werden Radiosondendaten über das Global Telecommunication System (GTS) an meteorologische Dienste verteilt, wodurch sie für die operationelle Wettervorhersage genutzt werden können. Für NAWDIC wurde ein spezieller Datenverarbeitungs-Workflow eingerichtet, um die Dropsondenbeobachtungen der Kampagne mit Unterstützung des Deutschen Wetterdienstes (DWD) in nahezu Echtzeit an das GTS zu übermitteln. Sowohl Radiosonden- als auch Dropsondendaten wurden von mehreren Vorhersagezentren, darunter dem DWD und dem European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), assimiliert und in der operationelle Wettervorhersagen verwendet. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen alle speziellen NAWDIC-Beobachtungen, die vom DWD assimiliert wurden. Während die bodengebundenen Radiosonden zeitlich hochaufgelöste Messungen am KITcube-Standort lieferten, deckten die vom HALO-Flugzeug eingesetzten Dropsonden große Teile des Nordatlantiks ab und ermöglichten Beobachtungen in ansonsten datenarmen Regionen. Zukünftige Analysen werden zeigen, wie diese zusätzlichen Kampagnenbeobachtungen durch ihre Assimilation die Vorhersagesysteme beeinflusst haben.

Referenzen

Kottmeier, C., Wieser, A., Corsmeier, U., Kalthoff, N., Gasch, P., Kirsch, B., Ebert, D., Ulanowski, Z., Schell, D., Franke, H., Schmidmer, F., Frielingsdorf, J., Feuerle, T., and Hankers, R.: A new versatile dropsonde for atmospheric soundings – the KITsonde, Atmos. Meas. Tech., 18, 3161–3178, https://doi.org/10.5194/amt-18-3161-2025, 2025.

Laroche, S., and Sarrazin, R.: Impact of Radiosonde Balloon Drift on Numerical Weather Prediction and Verification. Wea. Forecasting, 28, 772-782, https://doi.org/10.1175/WAF-D-12-00114.1, 2013.

Figures
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Annika Oertel, Viktoria Dürlich, Kam Lam Yeung