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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

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6 1 Fernerkundung der Atmosphäre 1.1.3 Allgemeine Zirkulation, Wetter und Klima Neben dem Vertikalaufbau der Atmosphäre charakterisieren auch horizontale Strukturen ihre Eigenschaften. Unterschiedliche Strahlungsbilanzen für verschiedene geografische Breiten führen zu großräumigen Luftströmungen in der Atmosphäre, der allgemeinen Zirkulation. Zusammen mit den Meeresströmungen wird ein Wärmetransport veranlasst, der mit einem teilweisen Temperaturausgleich zwischen den unterschiedlichen Breiten verbunden ist. Es bildet sich ein charakteristischer Zustand heraus, der die Klimazonen der Erde bestimmt. Infolge der horizontalen Temperaturunterschiede und der Corioliskraft kann die allgemeine Zirkulation in drei geschlossene Teilzirkulationen unterteilt werden [Liljequist und Cehak, 1994; Berth et al., 1972]. Demnach ergeben sich an der Erdoberfläche Bereiche östlicher Winde in den Polargebieten, Westwindzonen in den gemäßigten (mittleren) Breiten und die Passatzone mit östlichen Winden beiderseits des Äquators. Unter dem Begriff Wetter versteht man den physikalischen Zustand der Atmosphäre (hauptsächlich charakterisiert durch Lufttemperatur, -druck, -feuchtigkeit, Wind, Bewölkung) zu einem bestimmten Zeitpunkt über einem abgegrenzten Raum. Das Wetter an einem Ort steht immer im Zusammenhang mit einer Wetterlage, d.h. mit atmosphärischen Zuständen und Prozessen über einem größeren Gebiet. Gleichzeitig jedoch wird es durch lokale Faktoren, besonders von der Gestalt und den physikalischen Eigenschaften der Erdoberfläche beeinflusst. Das Wettergeschehen spielt sich hauptsächlich in der Troposphäre ab. Als Klima wird die Gesamtheit der in einem bestimmten Gebiet auftretenden mittleren Wetterzustände mit ihren zeitlichen Veränderungen über genügend lange Zeiträume bezeichnet. Es wird durch statistische Gesamteigenschaften repräsentiert (z.B. Mittelwerte, Häufigkeit extremer Ereignisse, Andauerwerte). Eine komplementäre, in der physikalischen Klimatologie ebenso wichtige Sichtweise, fasst das Klima als den veränderlichen Gesamtzustand des globalen Klimasystems (Atmosphäre-Ozean-Kryosphäre-Biosphäre- Lithosphäre System) auf (z.B. [Hantel, 1997]). 1.2 Radiosondierungen Die Basis für die operationelle Datenbereitstellung atmosphärischer Information für die Wettervorhersage bilden die Stationen eines weltweiten Beobachtungsnetzes. Die Messungen dieses Netzes werden zwischen den Wetterdiensten der jeweiligen Länder über ein spezielles Fernmeldesystem (GTS, Global Telecommunication Service) ausgetauscht. Die Beobachtungen stammen von Landstationen, Schiffen und von driftenden oder verankerten Messbojen. Hinzu kommen die Meldungen der Radiosondenstationen (Messungen mit Wetterballonen), die Informationen über die atmosphärische Vertikalstruktur enthalten. Die Ballonstarts werden zur überwiegenden Mehrheit von Landstationen zu fest vorgeschriebenen Zeitpunkten (synoptischen Terminen) durchgeführt. Vereinzelt existieren Meldungen von Ballonen, die von Schiffen gestartet werden und Informationen von Fallsonden (z.B. von Flugzeugen).

1.2 Radiosondierungen Abb. 1.2: Globales Netz der Radiosondenstationen (Stand 09.01.1996, [DWD 1996]). Die Radiosonde besteht aus einer Instrumentenkombination von Luftdruck-, Temperatur- und Feuchtesensor mit einem Kurzwellensender (Sendefrequenz ca. 400 MHz) und ist an einem gasgefüllten, freifliegenden Ballon befestigt. Die erreichbare vertikale Auflösung hängt von der Aufstiegsgeschwindigkeit des Ballons ab und beträgt im Mittel ca. 50 m. Die Messdaten werden durch den Kurzwellensender an die Bodenstation übertragen. Über die Positionsbestimmung des Ballons mittels Radar (Radio Detection and Ranging), Loran-C (LOw frequency RAdioNavigation system – Coast) oder GPS [Trenberth, 1995] können auch vertikale Profile von Windrichtung und –geschwindigkeit abgeleitet werden. Das globale Netzwerk der Radiosondenstationen (Abb. 1.2) bildet das Rückgrat der Datenbereitstellung für die Modellierung atmosphärischer Prozesse. Im Januar 1996 enthielt das Verzeichnis der synoptischen Stationen des DWD 918 Radiosondenstationen weltweit [DWD, 1996, Abb. 1.2]. 1.2.1 Messgenauigkeit Für die weltweit verbreitetste Radiosonde RS-80 gibt der Hersteller Vaisala [1991] folgende Genauigkeiten an (Laborbedingungen): Druck 0,5 hPa, Temperatur 0,2 K, relative Feuchte 2%. Während eines Aufstieges können die Genauigkeiten jedoch z.B. infolge des Strahlungseinflusses von diesen Angaben abweichen. Parallelaufstiege unter Idealbedingungen und mit sorgfältiger Kalibrierung [Antikainen und Hyvönen, 1983] ergaben für die Temperatur einen zufälligen Messfehler von 0,14 K, für die Feuchte von 2,2% und für die Bestimmung der Höhe aus der Druckmessung einen Fehler von 5,5 m. Der systematische Fehler der Messung der relativen Feuchte wird wesentlich durch die vor dem Start durchgeführte Kalibrierung des Feuchtesensors bestimmt und kann zu einem Messfehler von bis zu 10% führen. Vor allem bei tiefen (ab ca. −30°C) Temperaturen treten große Fehler (15% und mehr) auf [Dzingel und Leiterer, 1995]. Elliot und Gaffen [1991] zweifeln generell (mit Ausnahmen in den Tropen) die Zuverlässigkeit der 7

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