D4 Oberflächen- und mesoskalige Netzwerke

Thema

Bodenwetternetze bilden das Rückgrat der meteorologischen Beobachtung: Im Gegensatz zu Satelliten oder Radar, die die Atmosphäre aus der Ferne beobachten, messen Bodenwetternetze atmosphärische Variablen direkt vom Boden aus mit sehr hoher zeitlicher Kontinuität. Innerhalb dieser Bodenwetternetze existieren zwei Stationstypen: konventionelle Stationen, die alle sechs Stunden Daten melden, da sie noch teilweise auf manueller Datenerfassung und -übertragung basieren, und automatische Stationen, die unabhängig von menschlicher Bedienung deutlich häufiger, alle ein bis zehn Minuten, Daten liefern. Beide Stationstypen messen dieselben Variablen: Temperatur und Luftfeuchtigkeit in zwei Metern Höhe, Luftdruck sowohl auf Stationsebene als auch reduziert auf Meereshöhe, Windgeschwindigkeit und -richtung in zehn Metern Höhe, Niederschlagsmenge, Sichtweite, aktuelle Wetterbedingungen und Bewölkung.

Neben konventionellen und automatischen Bodenwetternetzen gibt es spezialisierte Netze, die die Erfassung bestimmter Phänomene erweitern, die konventionelle Stationen nicht effektiv erfassen können. Blitzortungsnetze sind ein Beispiel dafür: Sie erfassen die von jedem Blitz ausgesendeten Hochfrequenzsignale und lokalisieren diese anhand der Signale mit einer Genauigkeit von ein bis fünf Kilometern überall auf der Erde. Hier zeigt sich jedoch ein Zielkonflikt zwischen Abdeckung und Detektion: Ein Blitzortungsnetz mit globaler Abdeckung erfasst nur etwa ein Drittel der tatsächlich auftretenden Blitzeinschläge, während ein dichteres Blitzortungsnetz, obwohl auf die Regionen mit eigenen Stationen beschränkt, bis zu neun von zehn Blitzeinschlägen innerhalb dieses kleineren Abdeckungsbereichs detektiert.

Andere spezialisierte Netze konzentrieren sich auf noch spezifischere Variablen. Distrometer messen die Größenverteilung von Regentropfen mit einer zeitlichen Auflösung von 30 bis 60 Sekunden und zeigen so, ob eine bestimmte Niederschlagsmenge aus vielen kleinen oder wenigen großen Tropfen besteht. Strömungsnetze messen ihrerseits den turbulenten Austausch von Energie, Wasserdampf und Kohlendioxid zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre und erfassen diese turbulenten Luftstöße zehn- bis zwanzigmal pro Sekunde – eine deutlich höhere Frequenz als jede herkömmliche Station. Dies ist notwendig, da der turbulente Austausch selbst in Sekundenbruchteilen stattfindet und sich umkehrt.

Spezialisierte Messnetze erfassen auch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre: Einige atmosphärenchemische Stationen konzentrieren sich auf die Messung von Aerosolen, andere auf die Messung von Spurengasen. Zusammen liefern sie für Studien zur Luftqualität, Strahlungsbilanz und Atmosphärenchemie den Kontext der Zusammensetzung, den herkömmliche meteorologische Variablen allein nicht bieten können.

Der von all diesen Bodenstationen – ob konventionell oder automatisch – gemessene Druck ist nicht direkt vergleichbar, da sich jede Station in einer anderen Höhe befindet und die Luftdichte in höheren Lagen geringer ist. Daher wird der an jeder Station beobachtete Druck mithilfe der sogenannten hypsometrischen Gleichung mathematisch auf Meereshöhe reduziert, bevor er mit dem Druck anderer Stationen verglichen wird. Diese Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz zwischen zwei Höhen und der mittleren Lufttemperatur zwischen ihnen. Je wärmer die Luftsäule ist, desto geringer ist die Druckdifferenz zwischen den Höhen. Mithilfe dieser Gleichung lässt sich der Druck der Station auf Meereshöhe rekonstruieren. Dieser auf Meereshöhe reduzierte Druck bildet die Grundlage für die Erstellung synoptischer Karten.

Das Ergebnis der Kombination all dieser bodennahen Wetternetze – konventionelle und automatische Stationen mit ihren Basisvariablen, spezialisierte Netze für Blitze, Distrometer und Flussdichten, Stationen für atmosphärische Chemie und auf Meereshöhe reduzierte Druckmessungen – hängt letztlich von der Netzdichte ab: Je dichter das bodennahe Wetternetz in einer Region ist, desto feinere mesoskalige Gradienten von Temperatur, Wind und Druck kann es erfassen. Und genau diese feinen Gradienten sind es, die das Auftreten von Fronten, Tornados, Brisen und anderen lokalen Phänomenen offenbaren. Somit bleiben bodennahe Wetternetze die direkteste und kontinuierlichste Grundlage des meteorologischen Beobachtungssystems, mit dem diese Beschreibung beginnt.

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