DACH-7

IAGOS (www.iagos.org) is a European Research Infrastructure using commercial aircraft (Airbus A340, A330, and soon A350) for automatic and routine measurements of atmospheric composition including reactive gases (ozone, carbon monoxide, nitrogen oxides, volatile organic compounds), greenhouse gases (water vapour, carbon dioxide, methane), aerosols and cloud particles along with essential thermodynamic parameters. The main objective of IAGOS is to provide the most complete set of high-quality essential climate variables (ECV) covering several decades for the long-term monitoring of climate and air quality. The observations are stored in the IAGOS data centre along with added-value products to facilitate the scientific interpretation of the data. IAGOS began as two European projects, MOZAIC and CARIBIC, in the early 1990s. These projects demonstrated that commercial aircraft are ideal platforms for routine atmospheric measurements. IAGOS then evolved as a European Research Infrastructure offering a mature and sustainable organization for the benefits of the scientific community and for the operational services in charge of air quality and climate change issues such as the Copernicus Atmosphere Monitoring Services (CAMS) and the Copernicus Climate Change Service (C3S). IAGOS is also a contributing network of the World Meteorological Organization (WMO).

IAGOS provides measurements of numerous chemical compounds which are recorded simultaneously in the critical region of the upper troposphere – lower stratosphere (UTLS) and geographical regions such as Africa and the mid-Pacific which are poorly sampled by other means. The data are used by hundreds of groups worldwide performing data analysis for climatology and trend studies, model evaluation, satellite validation and the study of detailed chemical and physical processes around the tropopause. IAGOS data also play an important role in the re-assessment of the climate impact of aviation.

Most important in the context of weather-related research, IAGOS and its predecessor programmes provide long-term observations of water vapour and relative humidity with respect to ice in the UTLS as well as throughout the tropospheric column during climb-out and descending phases around airports, now for more than 25 years. The high quality and very good resolution of IAGOS observations of relative humidity over ice are used to better understand the role of water vapour and of ice-supersaturated air masses in the tropopause region and to improve their representation in numerical weather and climate forecasting models. Furthermore, CAMS is using the water vapour vertical profiles in near real time for the continuous validation of the CAMS atmospheric models.

How to cite: Petzold, A., Thouret, V., Gerbig, C., Zahn, A., Gallagher, M., Clark, H., Hermann, M., Schneider, J., Ziereis, H., Roquet, H., Nédélec, P., Bundke, U., Boulanger, D., Rohs, S., Smit, H. G. J., Boenisch, H., Lloyd, G., Flaud, J.-M., and Wahner, A.: IAGOS Research Infrastructure for Global-Scale Atmosphere Monitoring by Instrumented Passenger Aircraft, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-251, https://doi.org/10.5194/dach2022-251, 2022.

Die Institutionen der Wetterdienste in Europa haben eine lange Historie (z.B. ZAMG 170 Jahre) was bedeutet, das sich in dieser Zeit sehr viele Aufzeichnungen angesammelt haben. Die Aufgabe der Bibliotheken/Archive ist es dieses Material zu erschliessen und der Forschung zugänglich zu machen.

In dem Vortrag wird gezeigt, das Bibliothek über die Services der Forschungsliteratur hinaus eine wichtige Infrastruktur darstellen.

Durch die Digitalisierung von historischen Publikationen (z.B. https://www.sonnblick.net/de/sonnblick-verein/organisation/jahresberichte-sonnblick-verein/) nach den FAIR Prinzipien werden Texte online für ForscherINNEN nutzbar die sonst in den Regalen verstauben würden.

Die WMO Initative data rescue, also die Aufarbeitung von Papierbeständen zu Forschungsdaten, mit dem Hauptzweck lange Datenreihen zu generieren (z.B. Klagenfurt 1830 ff) ist eine wichtige Voraussetzung einerseits Klimamodelle zu validieren und andererseits Lücken in der geographischen Abdeckung (z.B. Das Messnetz der Centralanstalt k(u)k 1851-1919 DACH 2019) zu füllen.

Forschung zur Geschichte der Messungen (z.B. Paul Bingham The 1891 to 1918 partnership between the Deutschen Palästina-Vereins (DPV) and  Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG), to record and publish the meteorology of Palestine) hilft einerseits den historischen Kontext der Datengenerierung zu erhellen aber auch andererseits, durch Rekonstruktion der Meßmethoden, Aussagen zur Qualität der Daten zu erlangen.

Aber nicht nur die Rückschau ist relevant. EUMETLIB, eine Kooperation der Bibliotheken der europäischen Wetterdienste wird  nun über EUMETNET insitutionalisiert und soll in Zukunft ForscherINNEN den Zugriff auf Quellen aus ganz Europa für weitere Arbeiten zur Verfügung stellen und damit eine internationale Infrastruktur für die Wissenschaften darstellen.

How to cite: Bingham, P., Paul, A., and Stowasser, R.: Bibliothek/Archive als Forschungsinfrastruktur, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-53, https://doi.org/10.5194/dach2022-53, 2022.

NFDI4Earth addresses the digital needs of Earth System (ES) Sciences (ESS) in Germany. ES scientists cooperate in international and interdisciplinary networks with the overarching aim to understand the functioning of and interactions within the ES and address the multiple challenges of global change.

NFDI4Earth is a community-driven process providing researchers with access to FAIR, coherent, and open ES data, innovative research data management (RDM) and data science methods. The NFDI4Earth work plan comprises four task areas (TA):

TA1 2Participate will engage with the ESS community and secures that NFDI4Earth is driven by user requirements: Pilots, small agile projects proposed by the community leverage existing technologies and manifest the researchers’ RDM needs. The Incubator Lab identifies promising new tools and scouts for trends in ES Data Science. The EduHubs produce open, ready to use educational resources on implementing FAIR principles in the ESS. The Academy will connect young researchers and their data-driven research to NFDI4Earth.

TA2 2Facilitate realizes the OneStop4All as the web-based entry point to FAIR, open and innovative RDM in ESS. It supports users on how to find, access, share, publish and work with ES data. Specific user requests beyond the scope of the OneStop4All will be routed to a distributed User Support Network. TA2 will also unlock the wealth of data that exists in governmental data repositories and will collaborate with all services on supporting long-term archiving.

TA3 2Interoperate aims at interoperability and coherence of the heterogeneous, segmented range of ESS RDM services. The ecosystems of ESS (meta-)data and software repositories, data science services and collaboration platforms will be synthesised. Based on common standards, TA3 provides consistent methods for a self-evaluation of RDM offerings. TA3 works on NFDI cross-cutting topics, provides a Living Handbook and ensures co-operation with international RDM initiatives and standardisation bodies.

TA4 2Coordinate facilitates the overall management of the NFDI4Earth consortium. TA4 acts as central support service and coordination of the technical implementations. It also offers virtual research environments. The NFDI4Earth Coordination Office will support the NFDI4Earth community in day-to-day operations and acts as the NFDI4Earth point of contact. It develops a commonly agreed model for a sustainable operation of NFDI4Earth.

The NFDI4Earth governance aims for an open and inclusive development of the NFDI4Earth services. As one example, so-called interest groups can be initiated by the NFDI4Earth community to explore individual topics in greater depth and provide input and feedback to the NFDI4Earth developments. Moreover, as a community we will work on a commonly accepted NFDI4Earth FAIRness and Openness Commitment that is key to fostering a cultural change towards FAIR and Open RDM for all.

How to cite: Braesicke, P., Seegert, J., Thiemann, H., and Bernard, L.: NFDI4Earth – addressing the digital needs of Earth System Sciences, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-72, https://doi.org/10.5194/dach2022-72, 2022.

MOSES (Modular Observation Solutions for Earth Systems) ist ein neuartiges Beobachtungssystem der Helmholtz-Gemeinschaft, das speziell für die Untersuchung der Auswirkungen einzelner dynamischer Ereignisse auf die langfristige Entwicklung von Umweltsystemen entwickelt wurde. MOSES konzentriert sich auf vier Arten von dynamischen Ereignissen: Hitzewellen und Dürren, hydrologische Extreme, das abrupte Auftauen von Permafrost und Ozeanwirbel. Diese Ereignisse wurden ausgewählt, weil sie für Klima- und Umweltveränderungen und deren sozioökonomische Auswirkungen relevant sind. So haben zum Beispiel Wetterextreme, wie die jüngsten Dürren in Europa 2018, 2019 oder die Überschwemmungen in 2013, 2021 u.a. auch schwere und dauerhafte Umweltschäden verursacht.

Obwohl es immer mehr Hinweise darauf gibt, dass solche dynamischen Ereignisse das Potenzial für weitreichende Umweltauswirkungen haben, ist unser Wissen über die von ihnen ausgelösten Prozesse noch sehr begrenzt. MOSES zielt darauf ab, solche Ereignisse von ihrer Entstehung bis zu ihren unmittelbaren Folgen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen. Als solches erweitert und ergänzt das Beobachtungssystem damit bestehende nationale und internationale Beobachtungsnetze, die meist auf stationäre Langzeitbeobachtung ausgelegt sind.

Mehrere Zentren der Helmholtz-Gemeinschaft haben diese Forschungsinfrastruktur aufgebaut. Als mobiles und modulares "System der Systeme" wurde es entwickelt, um die Energie-, Wasser-, Treibhausgas- und Nährstoffkreisläufe an der Landoberfläche, in Küstenregionen, im Ozean, in den Polarregionen und in der Atmosphäre zu erfassen - vor allem aber die Wechselwirkungen zwischen den Kompartimenten zu untersuchen. Während der Implementationsphase (2017-2021) wurden die Messsysteme in Betrieb genommen und Testkampagnen durchgeführt, um ereignisgesteuerte Kampagnenroutinen zu etablieren. Mit dem Beginn des regulären Betriebs von MOSES ab 2022 wird das Beobachtungssystem dann für die system- und disziplinübergreifende Forschung dynamischer Ereignisse einsatzbereit sein.

Mit der Präsentation soll der Aufbau von MOSES sowie die Komponenten der Forschungsinfrastruktur vorgestellt und erste Einsatzbeispiele veranschaulicht werden. Dabei wollen wir die MOSES-Initiative fokussiert auf die Beobachtungssysteme und Betriebskonzepte präsentieren, die für Wetterextreme wie hydrometeorologische Ereignisse oder Hitzewellen und Dürren konzipiert wurden. Die Entwicklung der Konzepte für die ereignisgesteuerte Beobachtung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Forschung und Praxis und wird auch in den kommenden Jahren eine breite Plattform für Kooperationen bieten.

How to cite: Schütze, C. and Weber, U. and the MOSES-Team: MOSES – Ein neuartiges Beobachtungssystem zur systemübergreifenden Untersuchung dynamischer Ereignisse, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-133, https://doi.org/10.5194/dach2022-133, 2022.

The Atmospheric dynamics Research InfraStructure in Europe (ARISE) project has integrated different meteorological and geophysical station networks and technologies providing observations from the ground to the lower thermosphere. A particular emphasis is on improving observations in the middle atmosphere, as this is a crucial region affecting tropospheric weather and climate. Besides supporting innovative prototypes of mobile lidars and microwave radiometers, ARISE utilized the global infrasound network developed for the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT) verification, the lidar Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC), meteor radars, wind radiometers, ionospheric sounders and satellites.

This presentation highlights the objectives and results as well as perspectives of the first two project phases – one within the European Union’s 7th Framework Programme and the second within the Horizon 2020 programme. ARISE has facilitated multi-instrument stations and collocated measurement campaigns at different latitudes in Europe, including the observatories ALOMAR in northern Norway, OHP in southern France and Maïdo on Reunion Island (France), as well as the infrasound station in southern Germany. One ARISE study, for instance, analyzed different ground-based and space-borne observation technologies, revealing systematic biases for temperature and wind in both analysis and reanalysis models. Such biases are critical to the CTBT verification when validating infrasound signal detections by propagation modelling. Also, the potential of infrasound to be assimilated in weather or climate models was proposed, as infrasound can be used to probe winds and cross-wind effects in the middle atmosphere. Meanwhile, offline assimilation tests relying on infrasound data from ground-truth explosion events and wind data of ECMWF’s ERA5 model have been conducted. Overall, the interest of ARISE is to provide atmospheric data products and services for both scientific and civilian-security applications, including the monitoring of extreme events that have an atmospheric signature, such as meteors, thunderstorms or volcanic eruptions. For early warnings on volcanic eruptions, the Volcano Information System (VIS) was proposed as an ARISE product in cooperation with the CTBT organization and the Toulouse Volcanic Ash Advisory Center (VAAC).

How to cite: Hupe, P. and the ARISE team: ARISE - Atmospheric Dynamics Research InfraStructure in Europe, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-166, https://doi.org/10.5194/dach2022-166, 2022.

ACTRIS-D ist der deutsche Beitrag zur paneuropäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS (Aerosol, Clouds und Trace Gases Research Infrastructure) und seit 2019 Teil der Nationalen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen. Ziel von ACTRIS ist es, über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten Daten und Dienstleistungen zu kurzlebigen atmosphärischen Bestandteilen bereitzustellen, die entsprechende Forschung zu unterstützen und somit unser Wissen über atmosphärische Prozesse, Klimaveränderungen und Luftqualität zu verbessern. Dabei baut die Forschungsinfrastruktur auf die Erfahrung von mehr als 20 Jahren koordinierter Forschungs- und Entwicklungsarbeit in Europa auf. ACTRIS integriert die europäischen Messnetze zur In-situ- und Fernmessung von Aerosol, Wolken und reaktiven Spurengasen sowie den Verbund atmosphärischer Simulationskammern. Die Rechtsform eines Europäischen Forschungsinfrastruktur-Konsortiums (ERIC), die ACTRIS im Jahr 2022 annehmen wird, stellt die langfristige Unterstützung durch die mehr als 15 Mitgliedsstaaten sicher.

Am Aufbau von ACTRIS-D beteiligen sich elf deutsche Forschungseinrichtungen. Sie übernehmen die Verantwortung für den Betrieb von dreizehn Beobachtungsstationen zur Erhebung von Langzeitdaten, fünf atmosphärischen Simulationskammern zur Untersuchung chemischer und physikalischer Prozesse unter kontrollierten Bedingungen und vier mobilen Plattformen zur Beobachtung atmosphärischer Prozesse an ausgewählten Standorten. Darüber hinaus tragen sie zum Aufbau und Betrieb der sechs thematischen Zentren von ACTRIS bei, welche auf europäischer Ebene unter anderem für einheitliche Kalibrier- und Messstandards und die Schulung des technischen und wissenschaftlichen Personals verantwortlich sind und somit die hohe ACTRIS-Datenqualität gewährleisten. Drei dieser zentralen europäischen Einrichtungen werden von deutschen Instituten geleitet.

In diesem Beitrag stellen wir die laufenden Implementierungsarbeiten von ACTRIS-D vor, diskutieren die langfristige Strategie und zeigen anhand von Beispielen das Potenzial der Forschungsinfrastruktur für die integrierte und koordinierte Atmosphärenforschung in Deutschland und Europa.

How to cite: Wandinger, U. and the ACTRIS-D-Konsortium: ACTRIS-D – Der deutsche Beitrag zur europäischen Forschungsinfrastruktur für Aerosol, Wolken und Spurengase, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-257, https://doi.org/10.5194/dach2022-257, 2022.

Seit 2019 stehen der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik ZAMG Daten und Bildmaterial von menschlichen Wetter- und Impact- Meldungen durch die Verwendung der Web-App wettermelden.at zur Verfügung. Die Meldeparameter der ZAMG-App orientieren sich eng an das Meldesystem des European Weather Observers EWOB des European Severe Storms Laboratory ESSL. Diese Meldungen bieten für vielfältige Anwendungen an der ZAMG eine zusätzliche, so genannte alternative Datenquelle über die Auswirkungen (Impact) des Wetters am Boden in Echtzeit („Ground Truth“). Damit wird vor allem im operationellen Betrieb ein instantaner Feedback-Loop zwischen den ausgegebenen Wetterprognosen- und Warnungen sowie den resultierenden direkten Impact-Beobachtungen an Ort und Zeit durch Freiwillige ermöglicht. Auf diese Weise gelingt es im Idealfall, bereits ausgegebene Wetterwarnungen rasch anzupassen und so weiteren Unwetterschäden nach Möglichkeit entgegenzuwirken. Unser Beitrag gibt eine Übersicht über alle Module des Wettermelden-Systems der ZAMG. Einen wesentlichen Teil des Systems macht die Ausbildung der freiwilligen Wettermelder*innen im Rahmen des Trusted Spotter Network Austria TSN aus. Dieses Trainingsprogramm stellt die Qualität und Verlässlichkeit eingegangener Meldungen sicher, Meldungen von ausgebildeten Beobachter*innen sind gegenüber anonymen Meldungen gekennzeichnet und werden entsprechend gewichtet. Ebenso beleuchten wir die Bedeutung von wettermelden.at im Staatlichen Krisen- und Katastrophenschutzmanagement sowie der forensischen Meteorologie und der Klimaforschung. Um die Standardisierung der gemeldeten Wetter-Auswirkungen auch auf europäischer Ebene, beispielsweise mit anderen nationalen Wetterdiensten, sicherzustellen, engagiert sich die ZAMG im Rahmen der EUMETNET Crowdsourcing Working Group für einen verstärkten internationalen Austausch der menschlichen Impact- Meldungen.

How to cite: Krennert, T., Kaltenberger, R., and Schaffhauser, A.: Die Bedeutung menschlicher Wetter-Impact-Meldungen aus nationaler und internationaler Perspektive, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-299, https://doi.org/10.5194/dach2022-299, 2022.

Das „Regionale Klimainformationssystem für Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen“ (ReKIS) ist ein deutschlandweit einmaliges Klima-Informationsportal. ReKIS nahm seinen Routinebetrieb 2012 auf. Das Angebot bietet von Klima- und Wetterdaten aller Wetterstationen im Gebiet der drei Bundesländer über generierte Rasterdaten der Beobachtungs- und Klimadaten der verschiedensten Klimasimulationen und –projektionen bis hin zu Klimawandelanpassungsoptionen eine breite Palette an Informationen an. Diese Informationen können im Informationsportal je nach Bedarf individuell angepasst und kostenlos heruntergeladen werden. Außerdem werden für die breite Öffentlichkeit interaktive Karten und Grafiken zu allen klimarelevanten Themen bereitgestellt. Seit 2021 stehen für jede einzelne Kommune der jeweiligen Bundesländer sogenannte Klimasteckbriefe zur Verfügung. Die Klimasteckbriefe enthalten die wichtigsten Fakten zu Temperatur und Niederschlag bis ins Jahr 2100 auf Basis des RCP8.5, zugeschnitten auf die Kommunen mit kurzen prägnanten Vorschlägen für Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel. Die Klimasteckbriefe sollen somit die Kommunen bei der Klimaanpassung unterstützen. Die Ergebnisse in den Klimasteckbriefen verwenden ein bereits bestehendes Ensemble, das als ein für Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen repräsentatives Kernensemble aus dem „ReKliEs-De“-Referenzensemble ausgewählt wurde. Dabei bleibt, bei Reduzierung der Modellläufe, die Bandbreite des Referenzensembles in den Klimaparametern unter Berücksichtigung der für Mittel- und Ostdeutschland typischen Klimaparameter erhalten. Das so entstandene Kernensemble für Mitteldeutschland bekam den Namen Mitteldeutsches Kernensemble (MDK). 

How to cite: Röper, C., Eichhorn, M., Geißler, C., and Struve, S.: Das Regionale Klimainformationssystem für Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen (ReKIS), DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-77, https://doi.org/10.5194/dach2022-77, 2022.

Eine Forschungsinfrastruktur in der Wetter- und Klimaforschung ist das BMDV-Expertenwerk, in welchem sich sieben Bundesoberbehörden aus dem Ressort des BMDVs in einem Forschungsnetzwerk zusammengeschlossen haben, um gemeinsam die Auswirkungen des Klimawandels und die Folgen von extremen Wetterereignissen auf den Verkehrssektor zu untersuchen.

Die Forschungen haben das Ziel Verkehre und Infrastrukturen der Bundesfernstraßen, Bundeswasserstraßen und des Bundesschienennetzes zu identifizieren, die heute und zukünftig negativ von Änderungen klimatischer Randbedingungen betroffen sind. Dazu nutzt das Netzwerk für alle Verkehrsträger einheitliche Datengrundlagen, Szenarienannahmen sowie Auswertemethoden und entwickelt (Impakt)-Modelle, um Wirkungszusammenhänge zwischen Klimawandel und Betroffenheit der Verkehrsinfrastruktur zu bewerten. Zu den untersuchten Klimawirkungen zählen u.a. die Themen Sturm/Sturmwurf, Starkregen/Sturzfluten, Hochwasser, Niedrigwasser, Trockenheit/Böschungsbrände, Erosion, Massenbewegungen und Meeresspiegelanstieg/Tidedynamik. Darüber hinaus werden Anpassungsmaßnahmen entwickelt, um die Resilienz der Verkehrsträger gegenüber dem Klimawandel zu erhöhen.

Die Forschungen sind sehr praxisnah ausgelegt, d.h. Bedarfe der Infrastrukturbetreibenden (z. B. Deutsche Bahn) fließen in die Konzeption von Forschungsfragen ein und entwickelte Produkte werden wiederum über operationelle Dienste (DAS-Basisdienst „Klima und Wasser“) oder auf direktem Wege den Betreibenden zur Verfügung gestellt.

Das BMDV-Netzwerk vereinigt die Expertisen der Behörden Bundesamt für Güterverkehr (BAG), Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH), Deutscher Wetterdienst (DWD) und des Deutsche Zentrums für Schienenverkehrsforschung beim Eisenbahn-Bundesamt (DZSF/EBA). Den politischen Rahmen in Deutschland zur Anpassung des Verkehrssektors an den Klimawandel setzt die Deutsche Anpassungsstrategie (DAS) und das DAS-Handlungsfeld „Verkehr und Verkehrsinfrastruktur“.

How to cite: Klippel, L., Hänsel, S., Nilson, E., Schade, N., Lohrengel, A.-F., Herrmann, C., and Hache, I.: Das BMDV-Expertennetzwerk: Ressortforschung zur Anpassung von Verkehr und Infrastruktur an den Klimawandel und extreme Wetterereignisse, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-118, https://doi.org/10.5194/dach2022-118, 2022.

Im Unterschied zu Forschungsinfrastrukturen in anderen Disziplinen, zeichnen sich Forschungsinfrastrukturen für Umweltbeobachtungen in der Regel durch langfristige Messungen zahlreicher Parameter mit verschiedenen Instrumenten an unterschiedlichen Orten aus. Bodengestützte, atmosphärische Beobachtungen von Luftschadstoffen und Klimagasen können unterschiedliche Ziele verfolgen, wie zum Beispiel die Überwachung regulatorischer Massnahmen und die Einhaltung von Grenzwerten, die wissenschaftliche Untersuchung von Variabilitäten und Trends, die Validierung von Modellrechnungen und Satellitenbeobachtungen oder die Früherkennung von neu auftretenden Substanzen. Die Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung müssen nicht nur dem dezentralen Charakter der Beobachtungen Rechnung tragen, sondern auch sicherstellen, dass die der Fragestellung angepassten Datenqualitätsziele erreicht werden. Zusätzlich müssen Beobachtungen, die Teil von mehreren Messnetzen und Infrastrukturen sind, verschiedene Kriterien erfüllen, z.B. im Hinblick auf das Normal der Rückführbarkeit, die Präzision, aber auch bezüglich Dokumentation und Bereitstellung der Resultate in Datenbanken.

Die Präsentation gibt einen Überblick über die langfristigen Luftqualitätsmessungen in der Schweiz im Rahmen des Nationalen Beobachtungsnetzes für Luftfremdstoffe (NABEL), ihre Einbettung in das European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP), die Kooperation mit den europäischen Forschungsinfrastrukturen ICOS (Integrated Carbon Observation System) und ACTRIS (Aerosols, Clouds, and Trace gases Research Infrastructure Network), und die Zusammenarbeit in globalen Aktivitäten wie dem Advanced Global Atmospheric Gases Experiment (AGAGE) zur kontinuierlichen Messung von klimawirksamen und ozonabbauenden Substanzen und dem von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) koordinierten Global Atmosphere Watch (GAW) Programm.

How to cite: Steinbacher, M., Hueglin, C., Reimann, S., Buchmann, B., and Emmenegger, L.: Operationelle in-situ Messungen von Luftschadstoffen und Klimagasen im nationalen und internationalen Kontext, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-194, https://doi.org/10.5194/dach2022-194, 2022.

Das CM SAF (EUMETSAT Satellite Application Facility on Climate Monitoring) produziert, archiviert und stellt unter https://www.cmsaf.eu langjährige satellitenbasierte Klimadatensätze von vielen GCOS Essential Climate Variables (ECVs, essentielle Klimavariablen) bereit, die inzwischen auch die komplette aktuelle WMO Klimareferenzperiode 1990-2020 abdecken und damit eine gute Grundlage für die Analyse von Klimavariabilität und Klimawandel liefern. Seit 1999 hat das CM SAF kontinuierlich eine nachhaltige Infrastruktur zur Erzeugung von Klimadatensätzen aufgebaut, mit der Zeitreihen in hoher Qualität in einer operationellen Umgebung erzeugt werden, die auch aktuelle wissenschaftliche Entwicklungen berücksichtigen.

Der inhaltliche Fokus des CM SAF liegt auf ECVs, wie Wolken, Wasserdampf, Niederschlag, Landoberflächentemperatur oder der Strahlungskomponenten (langwellig/kurzwellig) am Erdboden und am Oberrand der Atmosphäre, die durch GCOS (Global Climate Observing System) definiert wurden und im Zusammenhang mit dem globalen Energie und Wasser Kreislauf stehen. Einerseits nutzt das CM SAF dazu polarumlaufende Satelliten mit einer globalen räumlichen Abdeckung. Andererseits werden vom CM SAF für Afrika und Europa, Klimadatensätze für Wolken und Strahlung  basierend auf den zeitlich hochaufgelösten Messungen der METEOSAT-Instrumente erzeugt.

Alle Daten des CM SAF werden kostenlos abgebeben, sind umfangreich dokumentiert und unabhängig extern begutachtet, um eine hohe Qualität zu gewährleisten. Dies wird unterstützt durch einen umfassenden Service für Kunden, indem beispielsweise Trainingsworkshops und andere Aktivitäten angeboten werden.

Diese Präsentation wird einen Überblick über die aktuellen und geplanten Aktivitäten des CM SAF geben und soll interessierten Nutzern durch beispielhafte Anwendungen den Umgang mit CM SAF Produkten verdeutlichen. Zudem werden zukünftige mögliche Anwendungen der Datensätze aufgezeigt. 

How to cite: Hollmann, R., Schröder, M., Trentmann, J., Stengel, M., Kaiser, J., and Selbach, N.: Satellitenbasierte Klimadatensätze und Produkte vom EUMETSAT’s CM SAF als Bestandteil einer nachhaltigen Infrastruktur zur Beobachtung der GCOS ECV‘s, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-264, https://doi.org/10.5194/dach2022-264, 2022.

Das Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (WZN, engl. Global Precipitation Climatology Centre (GPCC)) wurde 1989 auf Anfrage der World Meteorological Organization (WMO) beim Deutschen Wetterdienst (DWD) eingerichtet und befindet sich im operationellen Betrieb. Die Aufgabe des WZN ist das Sammeln, die Prüfung und Analyse von in-situ Niederschlagsmessungen weltweit.

Die von den Lieferanten bereitgestellten Daten kommen in verschiedenen Dateiformaten an. Diese unterscheiden sich nicht nur von Lieferant zu Lieferant, sondern auch von Lieferung zu Lieferung beim selben Lieferanten. Diese Dateien müssen in ein einheitliches Format gebracht werden, damit die Daten für die weitere Verarbeitung in eine relationale Datenbank importiert werden können. Sowohl beim Umformatieren als auch beim Einbringen in die Datenbank werden die Niederschlagsdaten und Stationsmetainformationen sorgfältig kontrolliert und, wo notwendig und möglich, korrigiert. Das Datenbankmodell erlaubt die parallele Speicherung der originalen und korrigierten Daten je nach Datenlieferant, was einen Vergleich der auf verschiedenen Wegen für eine Station gelieferten Daten ermöglicht. Auf Basis dieser qualitätsgeprüften Daten erzeugt das WZN verschiedene gerasterte Niederschlagsanalysen. Bei einigen dieser Analysen wird ein weiterer Schritt der Qualitätskontrolle bei der Extraktion der Daten aus der Datenbank eingefügt.

Um die vielen verschiedenen Nutzungsanforderungen an gerasterte Datensätze erfüllen zu können, erzeugt das WZN verschiede Analyseprodukte. Diese unterscheiden sich in der Aktualität der verfügbaren Daten, und damit einhergehend in der Stationsbasis, der durchgeführten Qualitätskontrolle und räumlichen und zeitlichen Auflösung.

Da das WZN nicht Eigentümer, sondern Nutzer der Daten, ist, stellt es nicht die Stationsdaten und Stationsmetadaten öffentlich zur Verfügung. Hingegen können die gerasterten Datensätze frei und ohne Registrierung genutzt werden. Es besteht die Möglichkeit, im Rahmen eines Gastaufenthalts beim WZN auch mit den Stationsdaten zu arbeiten.

In dem Beitrag wird auf den Aufbau, die Datenbasis und –prozessierung des WZN eingegangen und die verschiedenen verfügbaren Analyseprodukte werden mit Anwendungsbereichen vorgestellt. Einige der vorgestellten Analyseprodukte werden im Winter 2021/2022 in einer aktualisierten Version veröffentlicht.

How to cite: Ziese, M., Rustemeier, E., Schneider, U., and Finger, P.: Das Weltzentrums für Niederschlagsklimatologie (WZN) – globale Niederschlagsanalysen (nicht nur) für die Klimaforschung, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-104, https://doi.org/10.5194/dach2022-104, 2022.

In order to better understand dynamic interactions between a city and the regional atmospheric boundary layer, the 'urbisphere Berlin campaign' is being conducted during 2021-2022 in Germany within the ERC Synergy urbisphere grant. urbisphere aims to enhance understanding, forecasting, and projecting feedbacks between climate change and drivers of urban transformation. One foci is the development of the next generation of urban climate simulations with dynamic atmosphere-urban feedbacks.

A key aspect of urbisphere are comprehensive measurement campaigns in different cities. These involve undertaking high-quality research observations on urban effects for observation-based studies as well as for model development and evaluation. The Berlin campaign is investigating the dynamics of the atmospheric boundary layer within and beyond the city, and how the atmosphere dynamically responds to urban surface forcings, emissions, and human activity cycles from diurnal to an annual cycle. A dense network of ground-based remote sensing instruments (e.g. automatic lidars and ceilometers, doppler-wind lidars) for mixing-layer height detection within the city and along a rural-urban-rural transect, scintillometer paths for spatially averaged information on turbulent sensible heat flux, and radiation measurements for quantification of the influence of urban emissions, aerosols and clouds on downwelling radiative fluxes is deployed. Altogether, the additional observations supplement the existing Urban Climate Observatory (UCO) in Berlin to allow for a comprehensive and spatially detailed understanding of city-atmosphere interactions, and the effect of cities on downwind regions. This contribution provides an overview of the measurement campaign and gives first insights into collected data.

How to cite: Fenner, D., Christen, A., Chrysoulakis, N., Grimmond, S., Meier, F., Metzger, S., Morrison, W., and Scherer, D.: Dynamic interactions between city and atmospheric boundary layer – urbisphere Berlin campaign, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-297, https://doi.org/10.5194/dach2022-297, 2022.

The large number of unsolved questions concerning the interaction between aerosol particles and clouds and corresponding indirect effects on precipitation and radiative transfer demand new measurement strategies and systems to resolve the atmospheric processes involved. Obtaining synergistic information about cloud and aerosol properties from multi–instrument and hence multi–sensor observations is a key approach to overcome the current lack of knowledge. Motivated by these needs, the mobile multi–instrument platform Leipzig Aerosol and Cloud Remote Observations System LACROS was set-up in 2011 by Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS). LACROS nowadays is the central component of a sophisticated framework of synergistic state-of-the-art measurement techniques and methodologies, embedded into an environment of comprehensive data management.

The current setup of LACROS comprises a set of state-of-the-art remote-sensing instruments such as a 35-GHz scanning polarimetric cloud radar, multi-wavelength polarization Raman lidars, Doppler lidar, micro rain radar, microwave radiometer, laser disdrometer, as well as sensors for direct and diffuse downwelling solar and terrestrial radiation. All instruments are installed within customized sea-freight containers. This ensures a highest-possible mobility of the whole set of instruments. LACROS is a central mobile exploratory platform of the European Union Aerosol, Clouds, and Trace Gases Research Infrastructure (ACTRIS, http://www.actris.net). A variety of ways for physical, remote, and virtual access to the LACROS capabilities are provided via the European Union project ATMO-ACCESS (https://www.atmo-access.eu).

LACROS measurements focus on three main tasks: (1) Investigation of mixed-phase cloud processes by exploiting co‐located remote-sensing observations of microphysical properties and radiative effects of aerosols and clouds and their interactions. (2) Instrument validation and development of algorithms and new measurement techniques for cloud and aerosol microphysics retrievals such as, i.e., dual‐field‐of‐view lidar to derive cloud droplet size information, or retrievals of aerosol microphysical properties from combined lidar and Sun photometer measurements. (3) Field deployments in key regions of atmospheric research, where the processes under investigation are already naturally constrained and observations can ideally be combined with in-situ observations or model simulations.

This contribution will present the current setup of LACROS and its recent deployments in Leipzig, the Netherlands, Cyprus and southern Chile, results of aerosol-cloud-interaction studies by means of both, case studies and multi-site long-term statistics, as well as an overview on the current and future involvement of LACROS in cal/val activities of new methods and satellite missions. 

How to cite: Seifert, P., Bühl, J., Radenz, M., Engelmann, R., Baars, H., Jimenez, C., Witthuhn, J., Ohneiser, K., Teisseire, A., Hajipour, M., Floutsi, A., Skupin, A., Heese, B., Klamt, A., Ansmann, A., Wandinger, U., Deneke, H., and Macke, A.: The Leipzig Aerosol and Cloud Remote Observations System LACROS  – a mobile infrastructure for aerosol-cloud-interaction observations at hot spots of atmospheric research, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-249, https://doi.org/10.5194/dach2022-249, 2022.

Der ESA-Satellit Aeolus wurde im August 2018 mit dem Ziel gestartet, durch globale Messungen von Windprofilen die Wettervorhersage zu verbessern. Dazu hat Aeolus das High-Spectral-Resolution (HSR) Doppler-Lidar ALADIN (Atmospheric Laser Doppler Instrument) an Bord, welches es ermöglicht, vertikale Profile einer Windkomponente (West-Ost) aktiv zu messen. Diese Messungen werden inzwischen von mehreren Wetterdiensten assimiliert und es konnte ein positiver Einfluss auf die Vorhersagen gezeigt werden. Zusätzlich zu den Windprofilen können mit diesem Lidar auch Aerosol- und Wolkenprofile als Nebenprodukte gemessen werden. Es ist das erste Mal, dass so eine komplexe Technik vom Weltall aus zum Einsatz kommt und bedarf daher einer ausgiebigen Validierung.

Ein wichtiger Beitrag zur Validierung der Wind- und Aerosolprodukte von Aeolus wurde dabei in dem Kooperationsprojekt EVAA (Experimentelle Validierung und Assimilation von Aeolus-Beobachtungen) zwischen der Ludwig-Maximilians-Universität München, dem deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Deutschen Wetterdienst (DWD) sowie dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) geleistet. Anhand von bodengebundenen Wind- und Aerosol-Referenzmessungen als auch durch Radiosonden, konnten wichtige Erkenntnisse über den zeitlichen Verlauf sowie die Charakteristik des systematischen und zufälligen Fehlers der Aeolus-Beobachtungen gewonnen werden. Durch die Assimilation der Aeolus-Messungen im Wettermodell ICON des DWD, konnte ihr Einfluss auf die Wettervorhersage quantifiziert werden.

In diesem Beitrag wollen wir die Ergebnisse von unseren Langzeit-Vergleichsmessungen mit Radiosonden in Leipzig, Punta Arenas (Chile) und Radar-Windprofilern über Deutschland präsentieren und das Potential und die Grenzen von Aeolus diskutieren. Um die Verbesserung der Wettervorhersage durch die neuartigen Windbeobachtungen zu quantifizieren, wird ihr Einfluss im Wettermodell ICON demonstriert.

Zusätzlich werden wir einen Einblick in die Möglichkeiten der Aerosolprofilmessungen von Aeolus gegeben. Dazu wird als Beispiel der Transport von Rauchaerosol von den Bränden in Kalifornien im Jahre 2020 bis nach Mitteleuropa diskutiert. Damals waren große Mengen Rauch über Leipzig gemessen wurden, die für eine sichtliche Abschwächung des Sonnenlichts sorgten. Diese Rauchschwaden konnten sowohl von Aeolus als auch mit einem bodengebundenen Forschungslidar, genannt PollyXT, beobachtet werden und sind daher ein hervorragendes Beispiel, um die Potentiale von Aeolus bzgl. Aerosol- und Wolkenmessungen zu diskutieren.

How to cite: Baars, H., Geiß, A., Martin, A., Walchester, J., Basharova, E., Gebauer, H., Bühl, J., Radenz, M., Seifert, P., Engelmann, R., Floutsi, A. A., Bley, S., Barja, B., Lehmann, V., Leinweber, R., Cress, A., Weissmann, M., Reitebuch, O., and Wandinger, U.: EVAA – das deutsche Konsortium zur Validierung der Wind- und Aerosolprodukte des ESA Satelliten Aeolus: Fallbeispiele und Langzeitstudien, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-126, https://doi.org/10.5194/dach2022-126, 2022.

Swabian MOSES 2021 ist eine hydro-meteorologische Messkampagne, die zwischen Mai und Oktober 2021 im Neckartal und auf der Schwäbischen Alb im Südwesten Deutschlands im Verbund von zehn deutschen wissenschaftlichen Einrichtungen und unter Beteiligung von über 30 Forschenden durchgeführt wurde. Im Fokus von Swabian MOSES 2021 stehen zwei Wetterextreme, die nicht nur für das Untersuchungsgebiet von großer Relevanz sind: Starkniederschläge durch hochreichende Konvektion (Gewitter) und Hitzewellen mit den damit verbundenen Trockenperioden. 

Mehrere heftige Unwetterereignisse, aber auch sogenannte "non cases", bei denen trotz guter prä-konvektiver Bedingungen keine Gewitter entstanden, lieferten einen umfangreichen Datensatz. Mit diesem lässt sich die gesamte Ereigniskette abbilden: von der Entstehung hochreichender Konvektion über die Intensivierung und den Zerfall der Gewittersysteme, die Dynamik der damit verbundenen Begleiterscheinungen (z.B. Starkregen, Hagel, Windböen) bis hin zu Abflüssen und Schadstoffeinträgen in Fließgewässern sowie zum Wasserdampftransport in die untere Stratosphäre. Eine Hitzewelle mit Dürreepisoden hat sich dagegen nicht eingestellt.

Swabian MOSES 2021 ist Teil der Implementierungsphase von MOSES (Modular Observation Solutions for Earth Systems), einem Beobachtungssystem, das vom Forschungsbereich "Erde und Umwelt" der Helmholtz-Gemeinschaft entwickelt wird. Die Koordination von MOSES liegt beim Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig. Federführendes Institut bei Swabian MOSES 2021 ist das Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), welches sein mobiles integriertes Atmosphärenbeobachtungssystem KITcube als größte Messinfrastruktur einbrachte. Insgesamt wurden an über 20 Standorten im Untersuchungsgebiet in situ und Fernerkundungssysteme wie z.B. Regen- und Wolkenradar, Aerosolmessgeräte, Wasserprobenahmesysteme, ein Infraschallsensor, Energiebilanz- und Eddy-Kovarianz-Stationen, Wolkenkameras, eine Station für Ballonsondierungen sowie Netzwerke aus Windlidaren, Niederschlags-, Hagel- und Bodenfeuchtesensoren von den Projektbeteiligten installiert und betrieben. Zum Messkonzept gehörten zudem die Forschungsflugzeuge D-ILAB, D-IBUF und D-CFFU, der UFZ-Rover zur Messung der Bodenfeuchte mittels Neutronensensoren und kleine Schwarmsonden, die ein Team aus "Gewitterjägern" im unmittelbaren Vorfeld von Gewittern startete. 

Präsentiert werden zum einen das Konzept des interdisziplinären Forschungsprojekts und die abgestimmten Messstrategien der verschiedenen beteiligten Gruppen. Zum anderen wird ein Überblick über die zugrundeliegenden wissenschaftlichen Fragestellungen und Ziele gegeben und diese anhand erster Messergebnisse veranschaulicht. Zu den Fragestellungen und Zielen, die auch die Standorte der Messgeräte bestimmten, gehören unter anderem die Rolle der topografischen Strömungsmodifikation auf die Gewitterauslösung sowie der Einfluss von Aerosolpartikeln (z.B. Saharastaub) auf die Veränderung der atmosphärischen Stabilität und die Entstehung konvektiver Zellen. Weiterhin erlaubt das dichte Messnetz die Untersuchung der Inhomogenität von Starkregen, Hagel und Bodenfeuchte bei konvektiven Ereignissen. Wie der Einsatz der teils neuartigen mobilen Messsysteme zeigt, nimmt neben den inhaltlichen hydro-meteorologischen Forschungsfragen auch die (Weiter-)Entwicklung neuer Messtechniken einen wichtigen Platz in der Messkampagne ein. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf die geplante Folgekampagne im Jahr 2023 gegeben, an der weitere Forschungspartner teilnehmen können.

How to cite: Behrendt, A., Dietrich, P., Escher, B., Feuerle, T., Gasch, P., Glaser, C., Hajnsek, I., Handwerker, J., Hase, F., Kiese, R., Khordakova, D., Knippertz, P., Kohler, M., Kunz, M., Mauder, M., Möhler, O., Ramatschi, M., Reitter, R., Rettenmeier, A., Rode, M., Rolf, C., Saathoff, H., Schütze, C., Spahr, S., Späth, F., Weber, U., Wieser, A., and Wilhelm, J.: Swabian MOSES 2021 - Eine Messkampagne zur Untersuchung hydro-meteorologischer Extreme und deren Folgen in Baden-Württemberg, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-202, https://doi.org/10.5194/dach2022-202, 2022.

The Brazilian semiarid region (one million km²) is densely populated (25 million inhabitants), but its natural water availability is low. Despite the fact that evaporative processes are key to the regional water deficit, the actual evapotranspiration of natural environment has rarely been measured, especially in the native Caatinga dry forest. We hereby propose a simple method that demands the monitoring of five meteorological variables: relative humidity, global radiation, canopy and air temperature, as well as wind speed. These values are used to assess leaf energy balance, yielding net radiation (Rn) and actual evapotranspiration (LE). To estimate the actual Caatinga evapotranspiration under natural conditions and in different seasons, the proposed method was applied in situ during nine months. The application site was the Aiuaba Experimental Basin, situated in an environmental protection area in the North-eastern Brazil. The method provided consistent results when compared with independent measurements, such as atmospheric demand, leaf area, and soil water content variation. Results indicate that the daily average net radiation is 12 MJ m^-². During the dry season, the actual evapotranspiration is very low, with negligible LE/Rn ratio. Contrastingly, in the rainy season, it raises to 6 mm per day, with average LE/Rn ratio equalling 0.89. The results show that the actual evapotranspiration in the Caatinga long-lasting dry season (up to nine months per year) is controlled by the water availability in the soil.

How to cite: de Araújo, J. C., Vellame, L. M., Raabe, A., and de Jong van Lier, Q.: Evapotranspiration measurements in the Brazilian Caatinga dry forest, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-41, https://doi.org/10.5194/dach2022-41, 2022.

Die FESSTVaL-Messkampagne (Field Experiment on sub-mesoscale spatio-temporal variability in Lindenberg) wurde im Sommer 2021 als eine große Kooperation mit gut zwei Dutzend Forschenden in der Umgebung des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg des Deutschen Wetterdienstes durchgeführt. Im Rahmen des Projektes stehen sommerliche Wetterereignisse im Fokus, um die Entstehung von „Cold Pools“ und Windböen in der konvektiven Grenzschicht sowie deren Wechselwirkung besser zu verstehen. Aufgrund der kleinskaligen Natur dieser Wetterphänomene, können sie nur bedingt von konventionellen Bodenmessungen erfasst werden, können aber nichts-desto-trotz großen Schaden anrichten. Einzigartig für diese Kampagne ist daher die hohe Dichte der durchgeführten Bodenmessungen mit über 100 bodennahen Messungen hinsichtlich Temperatur und Druck und 20 automatischen Wetterstationen sowie ein dichtes Bodenfeuchtemessnetz. Ein X-Band Radar und mehrere Energiebilanzstationen wurden ebenfalls eingesetzt. Des Weiteren wurden in Kooperation mit externen Partnern am KIT und DLR neun Doppler-Lidar-Systeme für Messungen des Windprofils und von Turbulenzvariablen bis in mehrere Kilometer Höhe koordiniert getestet. Durch ein Messnetz von vier Mikrowellenradiometern und weiteren „Profilern“ wurden thermodynamische Eigenschaften der Grenzschicht sowie von Wolken und Niederschlag gemessen. Zusätzlich dazu wurden Messflüge mit unbemannten und ferngesteuerten Flugzeugen durch die Universität Tübingen und das DLR durchgeführt, um weitere Informationen in der Vertikalen zu erzielen und um die bodengebundene Fernerkundungssysteme zu evaluieren.

Als Ergänzung zu diesen Messungen wird im Rahmen des Projektes der Informationsgewinn durch ein Citizen Science Messnetzes untersucht. Die Messungen werden außerdem durch hoch-aufgelöste large-eddy Simulationen (ICON-LES) ergänzt. Die Ergebnisse des Projektes sollen unter anderem dazu dienen, die Darstellung solcher kleinskaligen Prozesse in der numerischen Wettervorhersage zu verbessern und neue Messstrategien zu definieren. Die Datenprodukte der Kampagne werden unter dem FAIR-Prinzip behandelt und werden über einer Plattform am Integrated Climate Data Center der Universität Hamburg zur Verfügung gestellt. Dieser Beitrag wird die Messstrategie von FESSTVaL näher beleuchten, erste Erkenntnisse und Ergebnisse zusammenfassen sowie einen Einblick in die Datenverfügbarkeit und deren Verwertungsperspektive geben.

How to cite: Lundgren, K., Ament, F., Hohenegger, C., Beyrich, F., Löhnert, U., Göber, M., Rust, H., Sakradzija, M., Bastak-Duran, I., Masbou, M., and Jahnke-Bornemann, A.: FESSTVaL: Field Experiment on sub-mesoscale spatio-temporal variability in Lindenberg – Übersicht der Messkampagne und erste Ergebnisse, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-237, https://doi.org/10.5194/dach2022-237, 2022.

Die Fähigkeit, CO2- und andere Gasemissionen zu reduzieren, um die globalen Emmisionsziele und Luftqualitätsstandards einzuhalten, erfordert auch die räumlich und zeitlich möglichst hoch auflösende Messung der Gasquellen und -senken sowie die Gastransportmechanismen.

Satellitengestützte Fernerkundungen sind in der Regel räumlich nur grob auflösend, dies betrifft insbesondere bodennahe Vertikalprofile. Auch die Erfassung der zeitlichen Variabilität durch Satelliten ist limitiert, da eine große Anzahl von Satelliten notwendig ist, um einen Tagesgang vollständig zu erfassen. Je nach Sensorsystem können Satelliten nur Messungen während des Tages durchführen, da die Sensoren auf die Rückstreuung der Infrarotstrahlung der Sonne angewiesen sind. Bodengestützte Gasfernerkundung wiederum ist stationär gebunden und auch in der räumlichen Auflösung limitiert, wenn der Einfluss von turbulenten Prozessen und Transport untersucht werden soll.

Eine Lösung zur Schließung dieser Datenlücke können in-situ Messungen mittels unbemannter Flugssysteme (UAS) sein, auch um zusätzlich zu stationären Bodenmessungen Gasverteilung und Konzentrationen räumlich aufgelöst in der unter Atmosphäre zu messen. Besonders der Einsatz von Starrflügler UAS ermöglicht - im Vergleich zu den heute vielfach verwendeten Multikopter UAS - längere Flugzeiten und Reichweiten bei nur geringen Störungen des Strömungsfeld bzw. der gemessenen Gasvolumina.

Die vorliegende Studie präsentiert ein leichtes, kleines, kostengünstiges NDIR-CO2-Sensors-System für den universellen Einsatz an Bord von Starrflügel UAS. Der Gassensor ist in ein aerodynamisches Gehäuse integriert, der sog. "Egg-Pod", welches mittels additiver Fertigung (hauptsächlich in handelsüblichen 3D Druckern) hergestellt wird. Das Gehäuse ist so konzipiert, dass dessen Form als passive Pumpe und Gasmesskammer während des Fluges fungiert. Der kostengünstige Ansatz (von Sensor und Gehäuse) lässt sich vor allem durch seinen einfachen Aufbau auf andere mobile Plattformen übertragen und ist für weitere Gassensorik skalierbar. Zur Charakterisierung unseres hier vorgestelltem Messsystems wurde der nächtliche CO2-Schichtungseffekt vermessen. Der nächtliche, bodennahe Aufbaueffekt von CO2 aufgrund der Bodenabkühlung bei Strahlungswetterlagen und der dabei auftretende räumliche Gradient wurde genutzt, um das Auflösungsvermögen des Systems zu charakterisieren. Hierzu wurden Flugmessungen mit den CO2 Messungen auf dem Messturm des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg - Richard Aßmann-Observatorium (Deutscher Wetterdienst DWD) verglichen. 

How to cite: Mashni, H., Buechau, Y.-G., Boventer, J., Schön, M., Van-der-poel, S., Savvakis, V., Platis, A., and Bange, J.: Kleines und leichtes Gasmesssystem für unbemannte Starrflügler-Forschungsflugzeuge, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-228, https://doi.org/10.5194/dach2022-228, 2022.

The atmospheric boundary layer (ABL) is the most important under-sampled part of the atmosphere. ABL monitoring is crucial for short-range forecasting of severe weather within highly resolving numerical weather predictions (NWP). Top-priority atmospheric variables for NWP applications like temperature (T) and humidity (H) profiles are currently not adequately measured. Ground-based microwave radiometers (MWRs) like HATPRO (Humidity And Temperature PROfiler) are particularly well suited to obtain such T-profiles in the ABL as well as coarse resolution H-profiles. It has been shown by previous studies that the assimilation of MWR observations is beneficial for NWP models, however MWR data are not yet routinely assimilated into operational NWP. The HATPRO measures in zenith and other angles throughout the troposphere over an area with ~10 km radius and has a temporal resolution on the order of seconds. Measured brightness temperatures (TB) are used to retrieve the T- and H-profiles. Path integrated values IWV (Integrated Water Vapor) and LWP (Liquid Water Path) are quite reliable with excellent uncertainties up to 0.5 kg/m² and 20 g/m², respectively.

Driven by the E-PROFILE program, a business case proposal was recently accepted by EUMETNET to continuously provide MWR data to the European meteorological services. Also, the European Research Infrastructure for the observation of Aerosol, Clouds, and Trace gases (ACTRIS) and the European COST action PROBE (PROfiling the atmospheric Boundary layer at European scale) currently focus on establishing continent-wide quality and observation standards for MWR networks for research as well as for NWP applications. The German Weather Service (DWD) also investigates the potential of HATPRO networks for improving short-term weather forecasts over Germany.

For all this it is important to obtain an overview of what HATPROs are capable of in regard to their measurement uncertainty. This was done by conducting coordinated experiments at JOYCE (Jülich Observatory for Cloud Evolution) and the FESSTVaL (Field Experiment on Submesoscale Spatio-Temporal Variability at Lindenberg) campaign in 2021 within a prototype MWR network. The goal is to develop a standard procedure for error characterization that can be applied to any HATPRO network instrument (guidance for operators).

Important error components are absolute calibration errors (biases), drifts (instrument stability, leaps between calibrations), radiometric noise and also location specific radio frequency interferences (RFI). For the absolute calibration with liquid nitrogen, the repeatability, the integration time and the time between calibrations are essential. Differences between consecutive calibrations are analysed, the right duration of a calibration and the right amount of time between calibrations are proposed, referring to the magnitude of the observed drifts. For the determination of noise levels for each channel, covariance matrices (correlated noise) of measured brightness temperatures on the cold- and hotload references are presented. RFI are detectable via clear-sky azimuth- and/or elevation scans.

How to cite: Böck, T., Pospichal, B., and Löhnert, U.: Uncertainty Assessment for HATPRO Microwave Radiometer Measurements and Calibrations, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-86, https://doi.org/10.5194/dach2022-86, 2022.

Das unbemannte Luftfahrtsystem (UAS) "Meteorological Airborne Sensor Carrier (MASC)" wird an der Universität Tübingen entwickelt und für meteorologische in-situ Messungen turbulenter Größen (Wind, Temperatur, Feuchte) und von Aerosolpartikeln in der unteren Atmosphäre genutzt. Die neueste UAS-Generation, MASC-V, wurde im September 2021 erstmals für Offshore Windmessungen außerhalb der Sichtweite eines Fernpiloten eingesetzt. MASC-V wurde in Zusammenarbeit mit der Firma ElevonX d.o.o. entwickelt und trägt das gleiche meteorologische Messsystem, wie das bewährte UAS MASC-3. Im Gegensatz zu MASC-3 ist MASC-V ein VTOL-UAS, es kann vollautomatisch senkrecht starten und landen und im Flächenflug weite Strecken von mehr als 100 Km zurücklegen. Dazu kommt ein Sicherheitskonzept mit zusätzlichen Redundanzen, insbesondere bei den Telemetriesystemen. Das neue Betriebskonzept schafft die Grundlagen die Betriebserlaubnis außerhalb der Sichtweite des Fernpiloten in der gesamten europäischen Union.
Nach der Systemvalidierung mithilfe eines meteorologischen Messturms am Observatorium Lindenberg des Deutschen Wetterdienstes wurde MASC-V für die Validierung von Windmessungen aus Satellite Synthetic-Aperture Radar Daten vom 13. bis 24. September 2021 über der Nordsee von der Hochseeinsel Helgoland am Testzentrum für maritime Technologien in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung eingesetzt. Synthetic-Aperture Radar Satellitendaten der Sentinel 1 - Formation können detaillierte Informationen über das Oberflächenwindfeld liefern. Die flächendeckende Validierung dieser Ergebnisse mit konventionellen Messmethoden ist schwierig, da in den geforderten niedrigen Höhen (unter 30 m) nur stationäre Messungen (Messtürme, Bojen) möglich sind, oder räumliche Messungen mit bemannten Messflugzeugen nur in größeren Höhen durchgeführt werden können. MASC-V kann dieses Anforderungsprofil erfüllen, da es große Messgebiete im Tiefflug in kurzer Zeit abdecken kann und keine Start- und Landebahn benötigt. Die neuen UAS-Messungen von Helgoland liefern nicht nur die erste flächendeckende Validierung einer SAR-Windmessung. Sie zeigen auch das Potenzial von UAS, die in einem Gelände ohne Start-und Landeinfrastruktur, außerhalb der Sichtweite betrieben werden können, für meteorologische Messungen auf Skalen von mehreren 10 Km oder für vertikale Sondierungen der Atmosphäre von bis einigen Kilometern über Grund.

How to cite: Weber, I., Platis, A., zum Berge, K., Schön, M., Boventer, J., Djath, B., Schulz-Stellenfleth, J., and Bange, J.: Der Multi-Purpose Airborne Sensor Carrier MASC-V, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-197, https://doi.org/10.5194/dach2022-197, 2022.

Fibre-optic based Doppler wind lidars (DL) are widely used for both meteorological research and in the wind energy sector. These compact systems are able to retrieve vertical profiles of kinematic quantities, such as mean wind, from the atmospheric boundary layer as well as from optically thin cloud layers in the free troposphere with high spatio-temporal resolution. It is therefore likely that especially short-term forecasting would benefit from assimilating these data. However, their potential is currently not yet employed operationally.

As part of DWD's effort to evaluate ground-based remote sensing systems for their operational readiness, called "Pilotstation", we developed a software client (DL-client) that standardizes the processing of mean wind based on the Velocity Azimuth Display method. Results of a long-term assessment of DLs at the Meteorological Observatory Lindenberg, starting in 2012, show that the DL-client assures a high quality Level-2 product, which is compatible with the EUMETNET's E-PROFILE observation program. We verified the retrieved mean wind speed and direction with the help of independent reference data from a 482 MHz radar wind profiler and 6-hourly radiosonde ascents. Hence, the DL-client not only facilitates processing and archiving of the DL data, but also forms a basis for operational network deployment and data assimilation. Furthermore, through speeding up and standardizing the data processing, the individual users can concentrate on more advanced scientific data analyses.

Finally, the software is freely accessible and will be continuously improved to account for different scanning strategies. Its modular build-up of processing steps offers the possibility to extend the list of products with additional retrievals, e.g. for turbulent kinetic energy and wind gusts, which are currently under development at Lindenberg.

How to cite: Kayser, M., Päschke, E., Detring, C., Lehmann, V., Beyrich, F., and Leinweber, R.: Standardized Doppler lidar processing for operational use in a future network, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-209, https://doi.org/10.5194/dach2022-209, 2022.

Die Messung des 3D-Windprofils erfordert – abgesehen von in-situ Messungen – ein aktives Fernerkundungsverfahren (meist Radar oder Lidar), welches mit geneigten Strahlen unter verschiedenen, mindestens drei Azimutwinkeln Pulse ausstrahlt („Doppler beam swinging“). Aus den gemessenen Doppler-Radialgeschwindigkeiten entlang der Strahlen kann dann das dreidimensionale Windfeld abgeleitet werden. Dies ist nur möglich, sofern Partikel vorhanden sind, die bei der gegebenen Wellenlänge ein Rückstreusignal erzeugen.

Bereits seit mehreren Jahrzehnten sind Radar-Windprofiler im Einsatz, die bei Wellenlängen zwischen 50 und 1000 MHz arbeiten und mittels Bragg-Streuung an Fluktuationen des Brechungsindex ein Rückstreusignal erhalten. Durch die lange Wellenlänge sind große Antennen erforderlich, was dazu führt, dass die Geräte nicht flexibel einsetzbar sind.

Innerhalb des Netzwerks der europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS (Aerosol, Cloud and Trace Gas Research Infrastructure) sind mehrere Standorte für Wolkenbeobachtungen mit einem scannenden Wolkenradar und einem Doppler-Windlidar ausgestattet, die auch zur Beobachtung von Windprofilen in der Troposphäre herangezogen werden können. Diese Messgeräte ergänzen sich, da das Lidar besonders in der Grenzschicht bzw. unterhalb von Wolken messen kann. Das Wolkenradar hingegen liefert Signale hauptsächlich aus Wolkenschichten, von welchen das Lidar aufgrund der starken Extinktion der Strahlung in Wolken keine Information erhält. Zusätzlich können beim Wolkenradar in der warmen Jahreszeit auch Insekten als Tracer verwendet werden, die häufig bis in Höhen von 3-4 km beobachtet werden können. 

Diese Präsentation zeigt anhand von Beobachtungen über mehr als zwei Jahre an der Messplattform JOYCE (Jülich Observatory for Cloud Evolution) eine neue Methode zur Kombination der Windprofile aus Wolkenradar und Lidar. Neben einer Betrachtung der Genauigkeit, sowie möglicher Fehlerquellen, werden auch die generellen Bedingungen für die Anwendung der Methode diskutiert. Es werden Anwendungsbeispiele gezeigt, wie diese kombinierten Windprofile zur Validierung von Satellitenbeobachtungen (z.B. Aeolus) oder zur Evaluation von atmosphärischen Modellen genutzt werden können. 

How to cite: Pospichal, B., Müller, M., and Kneifel, S.: Beobachtung von Windprofilen mittels Wolkenradar und Dopplerlidar, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-260, https://doi.org/10.5194/dach2022-260, 2022.

Convective-scale forecasts require more detailed and continuous observational data of thermodynamic profiles and wind profiles in the atmospheric boundary layer (ABL) than currently provided. In order to meet these data requirements in the future, DWD evaluates various surface remote sensing systems targeted on ABL-profiling for routine network operation.

One of the candidate systems in operation at the Observatory Lindenberg is a new pre-production broadband DIAL from Vaisala. DIAL instruments are well-established in research activities, but this instrument is developed for operationally providing water vapor profile observations in the ABL during all weather conditions. We present evaluation results of the DIAL’s operational performance regarding the quality of the water vapor profiles and report on its ability to monitor sub-grid scale processes, such as convection and associated weather phenomena. This includes comparisons with radiosounding observations (4 per day) over at least one year of continuous observations and additional comparisons with Raman lidar for a three-month period during summer 2021. Furthermore, we provide observation-minus-background statistics between the DIAL and the ICON limited area model (ICON-LAM) to evaluate the model performance, e.g. under convection, and to identify observational error sources.

This contribution provides knowledge regarding the operational viability of the new pre-production broadband DIAL, its value for monitoring water vapour profiles 24/7 and ABL processes for future model applications.

How to cite: Knist, C., Kayser, M., Lauermann, F., Löffler, M., Lehmann, V., and Lehtinen, R.: Assessment of a Broadband Differential Absorption Lidar (DIAL) for use in a ground-based measurement network, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-188, https://doi.org/10.5194/dach2022-188, 2022.