Intensivierung der Messungen, Datenanalyse und noch hochwertigere Geräte:


Das Disdrometer

Das optische Disdrometer ODM 470 ermöglicht die Bestimmung der Regen- und Schneefall-Niederschlagsrate – selbst unter widrigsten Wetterbedingungen wie starkem Frost, hohen Windgeschwindigkeiten, turbulenter Strömung und starkem Seegang. Dabei hat unser Gerät erhebliche Vorzüge gegenüber der Konkurrenz aufzuweisen: Es dreht sich in den Wind, sein Messvolumen ist von der Anströmung unabhängig und für die Daten der Partikelgrößenverteilung steht ein getrennter Regen- und Schneealgorithmus zur Verfügung. Die Disdrometer befinden sich an exponierter Stelle hoch am Schiffsaufbau oder im Mast. Zudem kommen ein Niederschlagsdetektor und ein Windmesser zum Einsatz. Die automatische und systematische Erfassung des Niederschlags durch diese Geräte trägt wesentlich zur Validierung und damit zur Verbesserung des berechneten Niederschlags in Satelliten- und Modelldaten bei.

Abbildungen
Der Messgerätekopf des optischen Disdrometers als Schemazeichnung (links) mit Sender und Empfängerdiode, die das optische Messvolumen aufspannen, durch das die Partikel fallen und einzeln registriert werden. Die Installation an Bord der Schiffe (rechts) besteht aus drei Geräten, dem Disdrometer (A), einem Windmesser (B) zur Korrektur der Disdrometerwerte und einem Niederschlagsdetektor (C).

Datenverarbeitung, Nutzung und Erkenntnisse

Der Datenstrom besteht aus fünf getrennt aufgezeichneten Datensätzen:

  • Disdrometerdaten in zwei Rohdatenformaten
  • GPS Navigationsdaten des Schiffes
  • Bord-meteorologische Messdaten (z.B. Lufttemperatur, Luftfeuchte, Druck)
  • Wetterbeobachtungsdaten der Art des Niederschlags
  • Metadaten über Wetterverläufe, Extreme, Datenausfallzeiten

Nach eingehender Qualitätsprüfung der einzelnen Datensätze werden diese zeitlich zusammengeführt, d.h. kollokiert und in einen einzigen Datensatz vereint, der die minütliche Zeitauflösung des Disdrometers enthält. Auf diese Disdrometerdaten werden die Regen- und Schnee-Niederschlagsalgorithmen angewendet. Nach Entscheidung, welcher Niederschlagstyp gefallen ist, wird jede Datenzeile automatisch mit einer Kodierung versehen, die das Ereignis als Regen-, Schnee- oder Mischphase kennzeichnet. Wenn das Gerät betriebsbereit war aber kein Niederschlag gefallen ist, wird der Minutenwert auf „wahre Null" gesetzt. Hafenzeiten werden exkludiert und Datenausfallzeiten gesondert markiert. Dadurch entsteht ein zeitlich kontinuierlicher Datensatz mit über 30 Parametern.

Zudem werden separat auch die Partikelspektren der einzelnen Tropfen und Flocken, sortiert nach ihrer Größe, in einen Datensatz geschrieben. Dies ist der große Vorteil unseres Messgerätes, dass der Niederschlag nicht in einem gewöhnlichen Auffangbehälter gesammelt wird, sondern jeder einzelne Tropfen und jede einzelne Flocke optisch vermessen und daraus der Niederschlag berechnet wird. Die so entstehenden Daten der sogenannten Partikelgrößenverteilungen sind von erheblicher Bedeutung für das Verständnis der mikrophysikalischen Prozesse, die zu Niederschlag in Wolken führen. Zudem sind diese speziellen Daten wichtig zur Kalibrierung von Radarsystemen, sowohl auf Schiffen als auch auf Satelliten.

Die Fahrtroute der Polarstern seit Juni 2010 zeigt die hohe Datenabdeckung in den Polarregionen. Im September, zur Zeit des Minimums der Meereisausdehnung im polaren Sommer, ist die Polarstern seit 2010 bereits dreimal direkt über den Nordpol hinweg gefahren. In der Antarktis fallen die Forschungsschwerpunkte in die Region der antarktischen Halbinsel und der Versorgung der Georg-von-Neumayer-Station an der Schelfeiskante auf. Die Tropen werden dagegen nur auf den Transits zwischen Bremerhaven und Kapstadt bzw. Punta Arenas durchfahren. Um eine deutlich höhere Datenabdeckung in den Subtropen und Tropen zu erlangen, ist seit März 2014 ein OceanRAIN Disdrometer auf der Meteor langfristig installiert worden. Die inzwischen hohe Datenabdeckung ist gut zu erkennen und enthält Werte von bis zu 160 mm/h in den Gewitterzellen der innertropischen Konvergenzzone.

Abbildungen
Die Fahrtrouten der Polarstern seit Juni 2010 und der Meteor seit März 2014. Die Farben kennzeichnen Daten die vor (schwarz) und nach (rot) Start des GPM Satelliten der NASA/JAXA aufgezeichnet wurden. Dieser Satellit ist die neue Generation der Niederschlagsmessung vom All aus und bedarf intensiver Kalibration mit Bodendaten. Die Polargebiete werden intensiv von der Polarstern abgedeckt, während die Spuren in den Subtropen und Tropen vor allem von der Meteor stammen.

Die Auswertung der Niederschlagszeitserie ergibt am Beispiel der Polarstern einen Datensatz mit über 30 Parametern und 4 Jahren Länge. Das gezeigte Beispiel enthält 1.74 Million Datenzeilen, von denen über 225.000 Zeilen Niederschlag enthalten. Daraus lässt sich ableiten, dass entlang der Schiffsspuren in etwa 13% aller Fälle über dem Ozean Niederschlag auftritt. Dieser verteilt sich auf 42% Regen, 47% Schneefall und 11% Mischphase. 88% des Niederschlagsvolumens entfallen auf den Regen und nur 9% bzw. 3% auf Schnee und Mischphase. Beim Regen ist bemerkenswert, dass es in 66% der Zeit nieselt, die Menge aber einem Regenvolumen von nur 8% entspricht. Der konvektive Starkniederschlag trägt dagegen mit einem Anteil von nur 4% zu 52% zum Regenvolumen bei.

Abbildungen:
Die Zeitserie der Polarstern für einen Ausschnitt der Daten von 28 Monaten von Juli 2010 bis Oktober 2012. Abbildung a) zeigt die Häufigkeit des Auftretens von Niederschlag (schwarz = Regen, blau = Schnee, grün = Mischphase) steht. Rot sind die Zeiten ohne Niederschlag. In Abbildung b) sind mit derselben Farbcodierung die Niederschlagsintensitäten abgebildet. Die Skala ist hier logarithmisch gewählt, damit auch die kleinen Raten gut dargestellt werden können. Die hohen Raten bis zu 100 mm/h kennzeichnen die Tropenquerungen. Abbildung c) zeigt drei verschiedene Temperaturen: Luft, Taupunkt (bei welcher Temperatur Nebel entstehen würde) und Wassertemperatur. Deutlich zu erkennen sind die Phasen der Tropenquerungen mit bis zu 30°C und die Aufenthalte in der Antarktis bei -30°C. Abbildung d) zeigt die relative Windgeschwindigkeit (rot) und die relative Feuchte der Luft (blau). Abbildung e) beschreibt den Verlauf des Luftdrucks. Vereinzelte Querungen von Tiefdruckgebieten zeigen Werte bis knapp an 950 hPa und deuten auf intensive Stürme hin, was sich vor allem auch im starken Niederschlag widerspiegelt.

In den Tropen liegt der Anteil der Extremniederschläge sogar bei nur 0.1%, trägt aber zu über 50% des gefallenen Niederschlags bei. Dies deutet an, dass der Datensatz auch Extreme enthält, so z.B. Tropenniederschläge von über 100 mm/h und Extremniederschläge in Tiefdruckgebieten von über 90 mm/h. An Bord der Meteor konnte in den inneren Tropen sogar bis zu 160 mm/h gemessen werden. Dass diese seltenen Extremwerte (weniger als 35 Minuten von 3 Millionen) in unseren Zeitreihen realistisch sind, ist anhand von dokumentierten Beobachtungen an Bord gewährleistet. Damit besitzen wir erstmalig Messwerte, die so noch nie zuvor gemessen wurden. Für die Qualitätssicherung der Satellitendaten ist eine weitere Fragestellung ganz erheblich: Die niedrigste detektierbare Niederschlagsrate, das Nieseln. Da Nieseln über großen Gebieten auftritt, trägt dieser Niederschlagstyp relevant zur Gesamtmenge des globalen Niederschlags bei und ist damit ein wichtiger Klimaparameter. Satelliten haben große Probleme, Nieselregen zu erfassen. Unsere Daten liefern hier ein erhebliches Potential zur Überprüfung und Verbesserung.

Zudem werden die Daten mit unseren Geräten zu minütlichen Partikelgrößenverteilungen gerechnet, d.h. die Anzahl der gefallenen Tropfen oder Flocken werden entsprechend ihrer Durchmesser sortiert. Anschließend wird eine große Anzahl solcher Minutenspektren gemittelt. Dies kann für einzelne Regionen und eine Niederschlagsregime, z.B. für Regen, Schnee und Mischphase oder auch Nieseln, mäßigem oder starken Regen getrennt betrachtet werden. Dies gibt Aufschlüsse über die mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolken, aus denen der Niederschlag fällt und lässt statistisch weitere Verbesserungen der Satellitendatenalgorithmen zu.

Abbildung:
Die Partikelgrößenverteilungen des OceanRAIN Disdrometers auf der Polarstern für mehrere 10.000 Spektren gemittelt für Regen (offene Kreise), Schnee (Sterne) und Mischphase (Dreiecke). Die x-Achse zeigt die Größen der Partikel (Tropfen und Flocken) in einer linearen Skala von 0.43 bis 14 mm Durchmesser während die y-Achse die logarithmische Häufigkeit der Partikel zeigt. Die Abbildung zeigt deutlich, dass kleine Partikel grundsätzlich häufiger sind als Große. Das Regenspektrum fällt am steilsten ab und zeigt, dass im Mittel die größten Tropfen 6.5 mm Durchmesser erreichen. Die Schneekurve ist deutlich flacher und zeigt, dass Flocken im Mittel bis 12 mm Durchmesser erreichen. Die Mischphasenkurve sieht bei den kleinen Partikeln der von Regen ähnlich und schneidet bei etwa 8 mm Durchmesser die Schneekurve, so dass die größten Partikel etwa 14 mm Durchmesser erreichen. Dies ist sinnvoll, da Mischphasenniederschläge bei Temperaturen um den Nullpunkt fallen und genau dort die größten Schneeflocken auftreten. Je kälter die Luft wird, desto kleiner werden die fallenden Schneeflocken.

Erfahrungswerte, die der Technik zu Gute kommen

Die bisherigen Erfahrungen mit den Geräten an Bord der Schiffe haben uns gelehrt, dass die Technik gar nicht robust genug sein kann. Dies gilt sowohl für die im Mast befestigten Geräte, die dauerhaft extreme Temperaturen und Witterungen aushalten müssen, und vor allem auch für die Aufzeichnungscomputer, die rund um die Uhr laufen müssen. 2011 haben wir diese Erfahrungen in Neuerungen bei den Kabelanschlüssen der externen Geräte umgesetzt, die Computer Software von Windows auf Linux gewechselt und den Daten-PC gegen einen Industrie-Datenlogger getauscht. Diese neuen Geräte sind nun auf allen Schiffen im Einsatz. Ein Daten-Backup wurde bislang automatisch auf Memory Sticks geschrieben. Häufige Probleme, die mit verschiedenen USB Sticks auftraten, veranlassten uns, das Backup System auf SD Cards umzustellen. Seitdem sind keine Fehler mehr aufgetreten.

Ein weiteres Novum ist die Umstellung der Datenspeicherung zusätzlich in das sogenannte DSHIP System. DSHIP ist ein hoch skalierbares und flexibles System für die Erfassung, Prozessierung, Visualisierung, Verteilung und Archivierung mariner Messdaten. Dadurch können wir nun direkt auf die Daten zugreifen und erhöhen die Backup Sicherheit. Sobald die DSHIP Daten versendet werden, kann auf die Daten zugegriffen werden. So können eventuelle Probleme mit der Datenaufzeichnung noch schneller identifiziert und behoben werden. Die Datenauswertung wird zudem beschleunigt, da die Datenlieferung nicht mehr nur während der Hafenliegezeiten erfolgt. Dieses neue System wurde im August 2014 erstmals an Bord der Meteor getestet. Eine weitere Neuheit ist, dass unser Disdrometer sich direkt mit dem Zeitserver des Schiffes verbindet. So ist sichergestellt, dass die Uhrzeiten aller Mess-Systeme die im Postprocessing zusammengeführt werden alle zeitgleich gemessen haben.

Abbildungen:
Die DSHIP Installation des OceanRAIN Disdrometers an Bord der Meteor im Hamburger Hafen im August 2014. Dr. Klepp mit dem Disdrometer im Schiffsmast (links), die Technikinstallation in der Bordwetterwarte der Meteor (Mitte) und der im Bordwetterwartensystem integrierte OceanRAIN Computer (rechts), der per sofort die Daten direkt ins Schiffssystem liefert.

Das optische Disdrometer ODM 470 während eines Experiments an Bord eines irischen Forschungsschiffes in der winterlichen Norwegensee.