Tomografie der Wetterküche per GPS

Deutsche Forschungsgemeinschaft beauftragte Leipziger Meteorologen mit Modellrechnungen

Es ist schon komfortabel, im Auto nicht Karten entfalten und Atlanten wälzen zu müssen, sondern lediglich der Stimme zu folgen, die ansagt, wohin der richtige Weg führt. Nur manchmal stolpert auch das beste Navigationssystem, Sender und Empfänger „sehen“ sich für Sekunden nur unscharf. Dann haben die Ereignisse in der Atmosphäre die Verbindung zwischen Satelliten und Auto beeinflusst. Die Meteorologen brachte das auf die Idee, dass man diese Irritationen des GPS in die Wetterbeobachtung einbeziehen könnte. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft beauftragte Wissenschaftler der Universität Leipzig, Modelle zu errechnen.

GPS (Global Positioning System) ist ein vom amerikanischen Verteidigungsministerium geschaffnes und betriebenes System, das aus mindestens 24 Satelliten besteht, welche die Erde in einer Höhe von rund 20000 Kilometern umkreisen. Die GPS-Satelliten senden ein Signal aus, das die genaue Ortsbestimmung eines GPS-Empfängers ermöglicht. GPS wird sowohl in der Luft-, Land- und Seefahrtnavigation als auch bei der Landvermessung und anderen Anwendungen eingesetzt, bei der es auf genaue Positionsbestimmung ankommt.

„Besonders stark ist die Gefahr der Ablenkung für die Signale in der 80 bis 400 Kilometer hohen Ionosphäre, also dem ’Dachgeschoss“ der Atmosphäre, aber auch in unteren Stockwerken, dort wo sich das Wetter abspielt werden die GPS-Signale beeinflusst, erläutert Dr. Armin Raabe, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Meteorologie der Fakultät für Physik und Geowissenschaften der Universität Leipzig, die Abläufe zwischen Satellit und Erde. „Deshalb wird das System in kürzesten Abständen immer wieder mit den jeweiligen Erscheinungen der Atmosphäre abgeglichen und die Daten für die Positionierung werden neu berechnet. Wenn man diese Berechnung aber unterlässt, kann man anhand der Ablenkungen u.a. ziemlich genaue Aussage treffen, wie viel Wasserdampf sich in dem Teil der Atmosphäre befindet durch den die GPS Signale sich bewegen .“

Doch diese Aussage allein hilft den „Wetterfröschen“ für ihre Vorhersagen noch viel nicht weiter. Sie müssen genau wissen, in welchen Höhen sich der Dampf befindet und wie sich die Masse gliedert. „Dazu kann man auch die vor drei – vier Jahren erstmals gestarteten Low Earth Orbiter – kurz LEO – einsetzen, die sich ganz flach über der Ionosphäre, also noch unterhalb der GPS-Satelliten, bewegen. Die haben sowohl Kontakt zum GPS als auch zu Empfängern auf der Erde“, so Raabe. „In ihrer Wanderung um die Erde ergibt sich ein Netz von Signalen, das reich ist an Knotenpunkten. Dieses Netz kann – anders als die überschneidungsfreien GPS-Signale – auch messen, wie sich Wasserdampf in der Atmosphäre verteilt. Es ergibt sich also nicht nur ein Draufblick auf die Wetterküche, sondern deren Tomografie, deren etagenweise Analyse.“

Die Aufgabe, mit der die Deutsche Forschungsgemeinschaft kürzlich das Institut für Meteorologie der Universität Leipzig und hier speziell Dr. Armin Raabe betraute, widmet sich nun speziell dem LEO-Einsatz. „Ein solches Gerät, der ’Champ-Satellit’, wurde beispielsweise vom Geoforschungszentrum Potsdam gestartet, andere von ähnlichen Institutionen. Noch wissen wir allerdings nicht genau, wie viele dieser Satelliten nötig sind, um ein Signal-Netz von jener Dichte zu knüpfen, die erforderlich ist, europaweit garantiert, immer im Bilde zu sein.“ Aussagen zum Balanceakt aus kostenintensiver Quantität der eingesetzten Satelliten und angestrebter Qualität der Datengewinnung soll die Raabe-Gruppe in den kommenden beiden Jahren treffen.

Um die Niederschlagsvorhersage verbessern zu können, müssen die GPS-Daten zudem noch mit der Gesamtmasse aller auf den verschiedensten anderen Wegen ermittelten Messungen verbunden werden. „Alle Daten laufen beim Deutschen Wetterdienst in Offenbach in einem Computer zusammen, und der ermittelt dann beispielsweise die Niederschlags-Wahrscheinlichkeiten. Doch dieses Modell, mit dessen Hilfe berechnet wird, und die Daten aus den Messungen der LEO müssen aufeinander abgestimmt werden. Hier fehlen noch die nötigen Verfahren der Einarbeitung in das bestehende Wettermodell“.

Das Anfang April gestartete Projekt unter dem Titel „Voraussetzungen für eine GPS-Wasserdampftomographie in einer wettermodellrelevanten Ausflösung’’ („Preconditions to GPS water vapour tomography with a resolution relevant for data assimilation in weather forecast models“) wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit 60.000 Euro unterstützt.

weitere Informationen Dr. Armin Raabe
Telefon: 0341 97-32853
E-Mail: raabe@uni-leipzig.de