FESSTVaL

FESSTVaL: ein Festival von fast 300 Instrumenten, die zusammenkommen, um einen Blick auf die Entstehung von Gewittern in den mittleren Breiten zu werfen.

Voll entwickelte Gewitter erscheinen als beeindruckende Wetterphänomene: Gewittercluster können sich in der Horizontalen über Hunderte von Kilometern erstrecken und in der Vertikalen bis zur Tropopause, etwa 10 km hoch, reichen. Doch das Leben dieser beeindruckenden konvektiven Stürme beginnt eher bescheiden, aus kleinen konvektiven Wolken der Größe O(1 km). Wie diese kleinen und flachen Wolken zu hochreichenden, reifen Wolken werden, ist noch nicht vollständig geklärt, aber eine Idee ist, dass der Übergang von flachen zu hochreichenden Wolken durch die Bildung von sogenannten „Cold Pools“ (Kaltluftseen) unterstützt wird. Cold Pools sind Gebiete mit kalter Luft, die sich an der Erdoberfläche unter einem Gewitter durch die Verdunstung von Niederschlag unterhalb der Wolkenbasis bilden. Da diese kalte Luft dichter ist als die Umgebungsluft, breiten sich Kaltluftsäulen an der Oberfläche aus und begünstigen die Entwicklung neuer, stärkerer Gewitter an ihrem Rand (siehe Abb. 1). Die Ränder von Cold Pools sind auch durch starken Wind gekennzeichnet, die bekannten Windböen, die mit Gewittern einhergehen.

In numerischen Simulationen der Atmosphäre sind Kaltluftseen ein wichtiger Bestandteil des Lebenszyklus der Konvektion. Operative Beobachtungsnetze erkennen jedoch größtenteils Cold Pools nicht, da der typische Abstand zwischen den Stationen (O(25 km)) gröber ist als die typische Größe von Cold Pools (O(1 km)) zu Beginn des Lebenszyklus der Konvektion. Durch den Einsatz eines dichten Netzes von Instrumenten über einer kleinen Region ermöglichte FESSTVaL zum ersten Mal einen Einblick in die innere Struktur von Cold Pools.

FESSTVaL fand vom 16. Mai bis 27. August 2021 in Lindenberg (Brandenburg, in der Nähe von Berlin) statt, wo sich ein Hauptmessstandort des Deutschen Wetterdienstes befindet. Für die Kampagne wurden zwei Messnetze kombiniert (Abb. 2). Das erste bestand aus einem Netz von Oberflächeninstrumenten, das 80 autonome Cold Pool Datenkollektoren, 19 Wetterstationen und 83 Bodensensoren umfasste, die alle in einem Umkreis von 15 km um Lindenberg aufgestellt wurden, sowie 70 Wetterstationen, die an Bürger*innen verteilt wurden.  Bei den autonomen Cold Pool Kollektoren handelt es sich um Instrumente, die von der Gruppe von Prof. Felix Ament an der Universität Hamburg (UHH) gebaut wurden, um speziell Kaltluftseen zu erfassen, indem die damit verbundenen Temperatur- und Luftdruckänderungen gemessen werden. Das zweite Netzwerk bestand aus Instrumenten für die vertikale Untersuchung der Luftmassen, einschließlich 9 Doppler-Lidars und 4 Mikrowellen-Radiometern, die auf 3 Standorte (Falkenberg, Lindenberg, Birkholz) verteilt waren. Zusätzliche Messungen wurden mit einem unbemannten Flugzeug, Multicoptern und einem kleinen Radiometernetz während einer vierwöchigen intensiven Beobachtungsperiode durchgeführt.

FESSTVaL zielte nicht nur auf Kaltluftseen ab, sondern auch auf die damit verbundenen Windböen und die gesamte Entwicklung der Grenzschicht an Sommertagen. Zu den wichtigsten Merkmalen von FESSTVaL gehören:

  1. die Erforschung neuartiger Techniken zur Messung der horizontalen Variabilität innerhalb Cold Pools durch den Einsatz dichter Messnetze von selbst entworfenen, selbst gebauten und kostengünstigen Instrumenten;
  2. die Anwendung neuartiger Algorithmen für die bodengestützte Fernerkundung in der Vertikalen (z. B. zur Erfassung von Windböen);
  3. der Schwerpunkt auf der Erfassung der 4D-Struktur von Kaltluftseen und Windböen, die nicht direkt aus operativen Messungen abgeleitet werden können.
  4. die Bürger*innen in den Prozess der Montage und des Einsatzes von Instrumenten einzubeziehen, z. B. mit Lehrvideos für Schüler*innen.

Diese Fülle von Messungen wird genutzt, um die räumlich-zeitliche Variabilität von Cold Pools (Abb. 3), Windböen und der planetarischen Grenzschicht zu charakterisieren und diese Variabilität mit ihrer Darstellung in numerischen Simulationen zu vergleichen. Die Messungen werden auch dazu verwendet, die Repräsentativität von Punktmessungen aus dem operationellen Netz zu bewerten. Schließlich werden die Messungen analysiert, um Hypothesen über die Beziehung zwischen Cold Pools, der Grenzschicht, der Konvektion und der darunter liegenden Oberfläche zu prüfen, die zuvor nur aus Modellsimulationen abgeleitet wurden.

An FESSTVaL waren 16 Institutionen beteiligt. Dem Projekt gingen zwei kleine Feldkampagnen voraus, die im Sommer 2020 und 2019 durchgeführt wurden, um die geplanten Messstrategien zu testen.

FESSTVaL ist eine vom Hans-Ertel-Zentrum für Wetterforschung initiierte und geleitete Aktivität. Weitere Informationen zu FESSTVaL und die während FESSTVaL gesammelten Daten sind über das ICDC frei verfügbar.

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