Das Messgerät

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 das 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. Das Disdrometer befindet 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.

Grafik erklärt

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

Datenverarbeitung

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.

Zudem werden separat auch die Partikelspektren der einzelnen Tropfen und Flocken, sortiert nach ihrer Größe, in einen Datensatz geschrieben. Dies ist der große Vorteil des 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.

Routen

Acht Schiffe erfassten auf den gezeigten Routen Daten für OceanRAIN Version 1.0. Der Datensatz umfasst insgesamt mehr als 6,83 Millionen Minuten an Daten, von denen 696.740 Minuten Niederschlag, Schneefall oder gemischte Niederschlagsphasen enthalten

Die geografische Verteilung der acht Schiffe (a) ist für die Jahreszeiten (b), die Jahre (c) und das Auftreten von Niederschlagsphasen einschließlich echter Null-Niederschlagsinformationen (d) an den entsprechend unterschiedlichen Farben zu erkennen.

Zeitserie

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.

Partikelgrößen

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 Erfahrungen mit den Geräten an Bord der Schiffe zeigten auf, dass die Technik gar nicht robust genug sein kann. Dies galt sowohl für die im Mast befestigten Geräte, die dauerhaft extreme Temperaturen und Witterungen aushalten mussten, und vor allem auch für die Aufzeichnungscomputer, die rund um die Uhr liefen.
Des Weiteren erwies sich die Umstellung der Datenspeicherung zusätzlich in das sogenannte DSHIP System als sinnvoll. DSHIP ist ein hoch skalierbares und flexibles System für die Erfassung, Prozessierung, Visualisierung, Verteilung und Archivierung mariner Messdaten. Also wurde so der direkte Zugriff auf die Daten möglich und die Backup Sicherheit wurde erhöht.

In Aktion

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.