Die bodengebundene Fernerkundung ist ein wichtiges Werkzeug zur Erforschung von Prozessen in der Atmosphäre über lange Zeiträume. In der Atmosphärenforschung werden mehrere verschiedene Fernerkundungsmethoden eingesetzt, die entweder aktiv oder passiv sein können.

Forschungsprofil

Der Fokus der Arbeitsgruppe liegt auf der Kombination verschiedener bodengebundener aktiver und passiver Fernerkundungsinstrumente zur Erforschung von Atmosphäre und Wolken, unter anderem auch im Bereich regenerativer Energien. Da unsere Messinstrumente (Wolkenradar, Mikroregenradar, Windlidar, Mikrowellenradiometer) mobil sind, setzen wir sie weltweit ein, wie etwa in Patagonien (Chile), auf Forschungsschiffen und zukünftig auch in der Arktis. Durch die Entwicklung von Retrievalalgorithmen, die auf Ansätzen wie „Optimal Estimation“ und  „Maschinenlernen“ basieren, können wir umfangreiche Parameter von Atmosphäre und Wolken ableiten und somit zum besseren Prozessverständnis des Klimasystems beitragen.

Niedrige flüssigkeitshaltige Wolken sind häufig über dem Kongsfjord in Ny Alesund, Spitzbergen. Foto: Heike Kalesse / Universität Leipzig
Niedrige flüssigkeitshaltige Wolken sind häufig über dem Kongsfjord in Ny Alesund, Spitzbergen. Foto: Heike Kalesse / Universität Leipzig

Forschungsinteressen

  • Arktische Verstärkung 
  • Aerosol-Wolken-Niederschlag-Strahlung-Wechselwirkungen (Indirekte Aerosol-Effekte)
  • Synergie von Fernerkundungsmessgeräten in der Atmosphärenforschung
  • Entwicklung atmosphärischer Fernerkundungsalgorithmen
Wolkenformation über Puntas Arenas. Foto Heike Kalesse / Universität Leipzig
Wolkenformation über Puntas Arenas. Foto Heike Kalesse / Universität Leipzig

Messinstrumente

In der Atmosphärenforschung werden mehrere verschiedene Fernerkundungsmethoden eingesetzt. Sie können entweder aktiv oder passiv sein.

Bei der aktiven Fernerkundung (z. B. RADAR, LIDAR, SODAR) wird Strahlung vom Instrument ausgesendet und der Empfänger am Boden beobachtet die Menge der elektromagnetischen Strahlung, die von atmosphärischen Bestandteilen gestreut oder reflektiert wird. Bei der passiven Fernerkundung (z. B. Mikrowellenradiometer) wird nur die von der Sonne oder den atmosphärischen Bestandteilen wie Wasserdampf, Sauerstoff oder Spurengasen emittierte Strahlung erfasst. Bodengestützte Fernerkundungsmessungen können zur Validierung von in-situ-, flugzeug- und satellitengestützten Beobachtungen verwendet werden.

Satellitengebundene Beobachtung: LIMRAD94 auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig
Bodengebundene Beobachtung: LIMRAD94 auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig

Hersteller: Radiometer Physics GmbH
Mittenfrequenz: 94 GHz (λ = 3,19 mm) ± 100 MHz typical
IF-Bereich:  0,35 to 4,5 MHz

Dieses Radar wurde für die Atmosphärenforschung entwickelt. Es arbeitet bei einer Wellenlänge von 3,2 Millimetern, wodurch eine hohe Empfindlichkeit bei kleiner Baugröße des Gerätes erreicht werden kann. Das Radar liefert Entfernungsprofile von Parametern, die Informationen über Streuer in der Atmosphäre wie Wolkenpartikel, Regentropfen, Schneeflocken und Insekten enthalten. Das Radar verwendet frequenzmodulierte Dauerstrichsignale (FMCW) und hat daher eine hohe Entfernungsauflösung bis zu 1 m. Die Doppler- und polarimetrischen (optionalen) Fähigkeiten des Radars bilden eine gute Grundlage für eine Klassifizierung von Partikeln und eine quantitative Charakterisierung von Hydrometeoren.

Anwendungsbereiche:

  • Kalibrierung von Niederschlags- und Wolkenradaren einschließlich satellitengestützter Systeme
  • Abschätzung von Ausbreitungseffekten für Satellitenverbindungen
  • Niederschlag und Nebel Nowcast
  • Hydrometeor-Klassifizierung
  • Quantitative Niederschlagsabschätzung
  • Abfrage von Windrichtung und -geschwindigkeit
  • Profilierung von flüssigem Wasser
  • Mikrophysikalische Analyse von Wolken und Niederschlag
Satellitengebundene Beobachtung: LIMHAT auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig
Bodengebundene Beobachtung: LIMHAT auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig

Hersteller: Radiometer Physics GmbH
Betriebsfrequenz: 22 – 31 GHz and 51 – 58 GHz

Anwendungen

HATPRO wird hauptsächlich zur Ableitung

  • von vertikalen Profilen der Luftfeuchtigkeit,
  • der Temperatur,
  • des integrierten Wasserdampfs (IWV)
  • und des Flüssigwasserpfads (LWP) bei nicht niederschlagenden Bedingungen

verwendet.

Satellitengebundene Beobachtung: LIMRAD24 auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig
Bodengebundene Beobachtung: LIMRAD24 auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig

Hersteller: METEK Meteorologische Messtechnik GmbH
Betriebsfrequenz: 24 GHz

Anwendungen

Das bei 24 GHz arbeitende MicroRegenRadar (MRR) ist ein einzigartiger meteorologischer Radar-Profiler für Doppler-Spektren von Hydrometeoren in Höhenbereichen von 15 m – 6000 m. Die hohe Auflösung in Zeit und Höhe ermöglicht es dem MRR, die Entstehung von gefrorenen Hydrometeoren, die Schmelzzone (helles Band) und die Bildung von Regentropfen zu beobachten. Es liefert Profile der Tröpfchengrößenverteilung, der mittleren Doppler-Geschwindigkeiten und des mittleren Volumendurchmessers, aus denen die Regenraten abgeleitet werden.

Bodengebundene Beobachtung: LIMCUBE auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Swen Reichhold
Bodengebundene Beobachtung: LIMCUBE auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Swen Reichhold

Hersteller: GWU Umweltechnik GmbH
Arbeitswellenlänge: 1,54 μm, Beobachtung der Grenzschicht bis zu 500 m

Anwendungen:

Der Leosphere Windcube ist ein kompaktes Doppler-Lidar-Instrument für Beobachtungen im unteren Teil der Grenzschicht (bis zu 500 m). Die Doppler-Lidar-Technik verwendet kleine Aerosolpartikel mit vernachlässigbarer Endfallgeschwindigkeit als Tracer für die Luftbewegung. Die Geschwindigkeit dieser Partikel ist ähnlich der Windgeschwindigkeit. Daher kann ein 3D-Profil der Windgeschwindigkeit und -richtung abgeleitet werden, wo immer genügend Tracerpartikel vorhanden sind. Aufgrund ihrer kompakten Größe lassen sich die meisten Doppler-Lidar-Geräte leicht in Feldexperimenten einsetzen. Darüber hinaus nutzen Energieunternehmen Windprofile aus Doppler-Lidar-Messungen für die Bewertung von potenziellen Standorten für Windenergieanlagen.

Bodengebundene Fernerkundung: Ceilometer 15k im Messeinsatz auf dem Dach des Instituts für Meteorologie. Foto: Swen Reichhold
Bodengebundene Fernerkundung: Ceilometer 15k im Messeinsatz auf dem Dach des Instituts für Meteorologie. Foto: Swen Reichhold

Hersteller: Lufft GmbH
Arbeitswellenlänge: 1,064 nm

Anwendungen

Das Ceilometer ist ein einfaches, kompaktes, augensicheres Lidar, das die Atmosphäre von der Oberfläche bis zu 15 km profiliert.

Es ist die neueste Ergänzung unserer Reihe an Instrumenten (Sep 2020) und wird für Forschung und Lehre (letztere im Rahmen des Fortgeschrittenenpraktikums) eingesetzt. Basierend auf der Beobachtung der vertikalen Profile der Partikelrückstreukoeffizienten kann die Höhe von Nebel, Aerosolschichten und Wolken erkannt werden.

Das könnte Sie auch interessieren

Forschungsprojekte

mehr erfahren

Publikationen

mehr erfahren

Fernerkundungsdaten

mehr erfahren