Untersuchung von Aerosol-Strahlung-Wolken Wechselwirkungen mit Ceilometerdaten im Rahmen des PermaStrom Projektes

Im Zusammenhang mit der geplanten Energiewende in Deutschland und Europa werden exakte Photovoltaikertragsprognosen immer wichtiger. In den meisten operationellen Wettervorhersagemodellen bleiben jedoch Aerosol- Strahlungs- und Wolkenwechselwirkungen bisher unberücksichtigt, was besonders bei Sonderwetterlagen wie Saharastaub oder Waldbrandaerosolepisoden zu Fehlprognosen des PV Ertrags führen kann. Das vom BMWi geförderte Verbundprojekt (Partner: DWD, KIT, Meteocontrol) PermaStrom (Photovoltaikertragsprognose zum besseren Management des Einflusses des atmosphärischen Aerosols auf die Stromnetze in Deutschland und Europa) untersucht deshalb unter anderem die Parametrisierung von Aerosol-Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen im ICON-ART Vorhersagemodell.

Zur Validierung des modellierten Bedeckungsgrades der 24h Modellvorhersage während Saharastaubereignissen wurden Ceilometerdaten verwendet.

Ceilometer sind bodengestützte Fernerkundungssensoren, welche nach dem Lidar-Prinzip zeitlich und vertikal hoch aufgelöst die Höhe von Wolkenunterkanten sowie Profile der Aerosolrückstreuung messen. Aus Ceilometerdaten an 13 verschiedener Stationen in Deutschland wurden stündliche Werte des Bedeckungsgrades während Saharastaubereignissen vertikal aufgelöst (500m, von 0-12000m) extrahiert und mit den stündlichen ICON-ART Vorhersagen sowie einem Kontrollexperiment ohne Staub verglichen.

Die Auswertung der mittleren Abweichung des Bedeckungsgrades zwischen Modell und Ceilometer zeigt in Wintermonaten im Mittel über die 13 Stationen eine Überschätzung der modellierten bodennahen Bewölkung (0-1000m) zwischen 2-10% und der hohen Bewölkung (6000-10000m) zwischen 1-9%, während bei der mittelhohen Bewölkung (1500m - 4000m) der modellierte Bedeckungsgrad um 1-4% geringer ist als in den Ceilometermessungen. Auffällig ist auch die Unterschätzung des modellierten Bedeckungsgrades bis zu 4% bei Wolken über 10000m. Dies ist insbesondere interessant, da sich gezeigt hat, dass hohe Zirruswolken im Zusammenhang mit Saharastaubereignissen bislang häufig nicht korrekt vorhergesagt werden können.  Für die Sommermonate finden sich insgesamt größere Abweichungen, besonders oberhalb 8000m wird der Bedeckungsgrad modellseitig um bis zu 15% überschätzt. Der ICON-ART-Lauf mit Staub weist gegenüber dem Kontrollexperiment ohne Staub in zwei von vier Monaten geringere Abweichungen (um 8-10% geringer) in Bezug auf die aus Ceilometermessungen bestimmten Bedeckungsgrade auf.

Noch deutlicher wird die Verbesserung bei der gesonderten Betrachtung von Tag-und Nachtzeiten. Hier ergibt sich während der Nachtstunden eine verbesserte Modellierung der Bewölkung zwischen 1 und 11% in allen untersuchten Monaten. Tagsüber ergaben sich Verbesserungen in drei von 4 Monaten von 10 bis 26% im Vergleich zum ICON-ART Kontrollexperiment ohne Staubberücksichtigung.

Die Ergebnisse zeigen, dass das ICON-ART Modell, das bisher nur den direkten und semi-direkten Effekt des Aerosols auf die Strahlung berücksichtigt, bereits eine verbesserte Vorhersage der Bewölkungssituation bei Saharastaubereignissen liefern kann. Im weiteren Projektverlauf ist eine Erweiterung des Modelles um zusätzliche Aerosolkomponenten und eine Einbeziehung der mikrophysikalischen Effekte des Aerosols auf die Wolkenbildung geplant.