Die folgenden Beschreibungen geben einen kurzen Überblick über den KITcube sowie über die Funktionsweise und den Nutzen der verschiedenen KITcube-Messgeräte. Tiefergehende wissenschaftliche Details, technische Spezifikationen und ein Rückblick auf den Einsatz des KITcube bei früheren Kampagnen finden sich auf der KITcube Homepage.

KITcube ist das hoch entwickelte, integrierte Atmosphärenbeobachtungssystem des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung, Abteilung Troposphärenforschung (IMK-TRO).

Der mobile KITcube kombiniert hochauflösende Messungen von scannenden Fernerkundungssystemen (z.B. Windlidar, X-Band Niederschlagsradar, Feuchte- und Temperaturprofiler, Sonnenphotometer, Wasserdampf- und Wolkenkamerasysteme, u.v.m.) mit klassischen in situ Instrumenten auf Messmasten und an Wetterballons (lokale Messungen). Durch vollständig koordinierte Scans der Systeme ist der KITcube ein sehr gut geeignetes Beobachtungssystem für Studien von Gewittern, atmosphärischer Konvektion, Wolken und Niederschlag. Der mobile KITcube Hauptstandort während der Messkampagne Swabian MOSES liegt in Villingen-Schwenningen, das X-Band Niederschlagsradar ist in Bonndorf im Schwarzwald installiert.

Der stationäre KITcube am KIT-Campus Nord in Eggenstein-Leopoldshafen nördlich von Karlsruhe besteht unter anderem aus dem 200 Meter hohen Meteorologiemast, der seit 1972 im Dauerbetrieb Lufttemperatur, -feuchte, Wind und Turbulenz misst, und einem modernen C-Band Niederschlagsradar. Der stationäre KITcube fungiert zudem als permanente AERONET-Station "Karlsruhe", der mobile KITcube als zusätzliche temporäre Station bei Messkampagnen wie Swabian MOSES ("KITcube_Villingen-Schwenningen"). Damit tragen beide zu einer weltweiten Datenbank für Aerosol- und Strahlungsmessungen bei.

Ballonsondierungen in der Atmosphäre

Die höheren Atmosphärenschichten lassen sich vorzugsweise mit Helium-gefüllten Wetterballons vermessen. An diese Ballons werden verschiedene Messinstrumente gehängt, die dann beim Aufstieg des Ballons (und auch beim späteren Absinken) verschiedene Parameter messen. Die Ballons steigen je nach Größe bis in eine Höhe von 20 bis 35 Kilometern auf und fliegen damit deutlich höher als Flugzeuge. Nach dem Platzen des Ballons beginnt das Absinken, bei dem meist ein Fallschirm zum Einsatz kommt, um das Absinken zu bremsen. So können zum einen Schäden vermieden werden, zum anderen sind dadurch auch beim Absinken Messungen unter kontrollierten Bedingungen möglich.

Im einfachsten Fall wird an einen Wetterballon eine sogenannte Radiosonde gehängt. Diese misst die Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und die Positionsangaben (GPS) und sendet die Information per Funk an die Bodenstation. Zudem ist es möglich, neben der Radiosonde weitere Instrumente an den Wetterballon zu hängen. Das sind dann z.B. ein Ozoninstrument, mit dem sich insbesondere die Ozonschicht in der Stratosphäre vermessen lässt, oder ein präzises Hygrometer, mit dem sich die geringe Wasserdampfkonzentration beim Übergang von der Troposphäre in die Stratosphäre (Tropopause) in einer Höhe von etwa 12 Kilometern genau bestimmen lässt. Je nach Situation kommt auch noch ein Partikelmessinstrument zum Einsatz, mit dem sich Wolkentröpfchen, Eiskristalle oder Staubteilchen in der Atmosphäre genau lokalisieren lassen.

Im Rahmen der Swabian MOSES 2023 Messkampagne werden an zwei Standorten Ballonsondierungen durchgeführt: am Hauptstandort in Villingen-Schwenningen und im Elsass in Frankreich. In Villingen-Schwenningen werden die Wetterballone manuell befüllt und steigen lassen, im Elsass steht ein Autolauncher. Dieser Autolauncher (Vaisala Autosonde AS41) führt vollautomatisch aus der Ferne gesteuert Ballonsondierungen durch.

Schwankungen des atmosphärischen Bodendruckes sind Ausdruck des Wettergeschehens und werden auch von vielen Amateurmeteorolog*innen aufgezeichnet. Neben den langsamen Schwankungen, wie sie mit einem Barometer aufgezeichnet werden, können etwa Gewitterzellen jedoch auch plötzliche Druckschwankungen erzeugen. Diese Druckschwankungen stellen Quellen von Infraschallwellen dar, die sich in der Atmosphäre über große Entfernungen ausbreiten können. Der Infraschallbereich schließt sich an den Hörbereich zu niedrigeren Frequenzen hin an, der Übergang zwischen Infraschallbereich und akustischem Schallbereich liegt bei etwa 20 Hertz (hörbarer Bereich umspannt alters- und lautstärkeabhängig etwa 20 bis 20 000 Hertz).

Der betriebene Kampagnensensor erfasst Druckschwankungen im Frequenzbereich von etwa 0.02 bis 100 Hertz, kann also Infraschallwellen und akustische Wellen im unteren Hörbereich detektieren. Zur Detektion wird ein empfindlicher Differenzdrucksensor verwendet (Sensirion SPD816-125Pa), der die Druckdifferenz zwischen einem abgeschlossenen Referenzgefäß (ein Glasgefäß mit 5 Liter Volumen) und der Umgebung detektiert. Um die Druckdifferenz zu detektieren, lässt der Sensor durch einen engen Kanal einen kleinen durch die Druckdifferenz getriebenen Luftstrom zwischen dem Referenzvolumen und der Außenluft zu. Im Kanal befindet sich eine Wärmequelle, auf beiden Seiten der Quelle wird die Lufttemperatur gemessen. Aus der Temperaturdifferenz lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und daraus schließlich die gesuchte Druckdifferenz ableiten.

Die Abbildung rechts zeigt den Sensor: das Referenzgefäß ist in eine thermische Isolierung gehüllt, um schnelle Temperaturschwankungen der Referenz zu vermeiden – was ja ebenfalls Druckschwankungen vorspiegeln würde. Das eigentliche Sensorelement befindet sich in dem Metallgehäuse oberhalb des Referenzgefäßes. Die Daten werden mithilfe eines Notebooks automatisch aufgezeichnet und mittels einer LTE-Anbindung zum Datenserver der Kampagne übertragen.

Es sind bisher nur wenige Messungen durchgeführt worden, um die Infraschallsignale konvektiver Ereignisse zu untersuchen. Im Rahmen der Swabian MOSES Kampagne sollen Infraschallmessungen mit der weitreichenden Diagnostik der KITcube-Instrumente kombiniert werden, um hierdurch zusätzliche Informationen zum Strömungsgeschehen in einer Gewitterzelle zu gewinnen.

Autor: Dr. Frank Hase, IMK-ASF

Ein Netzwerk aus Bodenfeuchtesensoren ermöglicht die kontinuierliche Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur in verschiedenen Tiefen. Die in der Kampagne eingesetzten mobilen Geräte bestehen aus einzelnen Sensorknoten, an die jeweils sechs Bodenfeuchtesensoren angeschlossen sind. Die Sensoren sind paarweise verbaut, somit kann die Bodenfeuchte und Bodentemperatur an jedem Standort in drei verschiedenen Tiefen ermittelt werden. Per Mobilfunk werden die Messdaten in eine Datenbank übertragen und visualisiert.

Die Bodenfeuchtesensoren arbeiten nach dem TDT-Prinzip (Time Domain Transmission). Das Prinzip beruht auf dem Einfluss der dielektrischen Eigenschaften des Bodens auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektromagnetischen Signals, das als Puls zu den Sensoren hin ausgesendet wird. Wasser zeichnet sich im Vergleich zu trockenem Boden durch eine hohe Dielektrizität aus. Ein hoher Wassergehalt im Boden und somit eine hohe Dielektrizität bremst die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Signals. Unter Einbezug weiterer Parameter wie z.B. der Bodentemperatur kann so aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit die Bodenfeuchte ermittelt werden.

Warum sind diese Messungen wichtig? Die Bodenfeuchte ist eine wichtige Zustandsgröße natürlicher Böden, die nicht nur für die Landwirtschaft von großer Bedeutung ist (s. Forschungsziele). Aufgrund der ausgeprägten Heterogenität und Komplexität von Böden zeichnet sich auch die Bodenfeuchte durch eine hohe zeitliche und räumliche Variabilität aus. Einzelmessungen können derartige Änderungen prinzipbedingt oft nicht adäquat abbilden. Drahtlose Sensornetzwerke ermöglichen hier eine Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Dynamik der Bodenfeuchte.

Weitere Informationen zu den Aktivitäten bei Swabian MOSES sowie aktuelle Messdaten finden Sie hier

Autoren: Matteo Bauckholt, Prof. Dr. Peter Dietrich, UFZ

Niederschlagsmessungen mit Radaren wie z.B. dem KITcube X-Band Radar liefern räumlich und zeitlich sehr hoch aufgelöste Informationen, die mit einem Bodenmessnetz von Niederschlagsmessgeräten nicht erreicht werden. Sie leiden aber auch unter typischen Messfehlern. Diese versucht man zu minimieren, indem die (verhältnismäßig wenigen) Messungen am Boden zur Aneichung der Radarmessung ausnutzt.

Für Swabian MOSES wird dazu erstmals ein Netzwerk aus 23 optischen Distrometern (Parsivels) eingerichtet. Während klassische Regensammler lediglich Auskunft über die gefallene Niederschlagsmenge geben, stehen durch den Einsatz der Distrometer zusätzlich auch die Informationen über die Zusammensetzung des Niederschlags nach Größe und Niederschlagsart zur Verfügung. Genau diese Informationen lassen sich auch aus den Messungen des polarimetrischen KITcube X-Band Radars abschätzen. Durch den Vergleich mit den im gesamten Messgebiet verteilten Distrometern lassen sich die radarbasierten Angaben überprüfen und durch Aneichung (auch der polarimetrischen Messgrößen) verbessern.

Autor: Dr. Jan Handwerker, IMK-TRO

Trotz der massiven Schäden, die schwere Hagelereignisse gerade auch im Untersuchungsgebiet von Swabian MOSES verursachen, wird an den vielen Wetterstationen in Deutschland Hagel nicht direkt gemessen. Die Größenverteilungen der Hagelkörner, die sogenannten Spektren, sind aber für mehrere Anwendungsbereiche relevant. So messen Niederschlagsradare zwar prinzipiell auch Hagel, sie liefern aber nur ein gesamtes Signal (bei modernen Dual-Pol Geräten mehrere Signale) in der Atmosphäre in rund 1 Kilometer Höhe.

Mit Hilfe beobachteter Spektren können die Umrechnungsmethoden des Radarsignals in Hagel am Boden verbessert werden. Die Hagelspektren sind außerdem entscheidend für die Schäden an Gebäuden, Fahrzeugen und landwirtschaftlichen Kulturen. Sie werden daher für eine möglichst genaue Berechnung der Hagelschäden und des Hagelrisikos benötigt. Schließlich lassen sich mit Hilfe von Langzeitmessungen der Hagelkörner mögliche Trends bestimmen, die durch den Klimawandel bedingt sind.

Das neue entwickelte Messgerät HailSens ist in der Lage, Hagelspektren zeitlich hoch aufgelöst zu messen. Beim Aufprall eines Hagelkorns auf die Empfangsfläche wird diese in Schwingung versetzt, die dann von einem unter der Empfangsfläche angebrachten Piezomikrophon erfasst wird. Daraus kann dann bestimmt werden, wie viele Hagelkörner auftreffen und wie groß diese sind. Jeder Einschlag eines Hagelkorns wird registriert und automatisch an einen Server gesendet. Dort stehen die Daten dann nahezu in Echtzeit zur Verfügung.

Im Rahmen der Feldmesskampagne Swabian MOSES sind insgesamt 10 Hagelmessgeräte installiert – und zwar genau an den Orten, an denen es den Radaranalysen des IMK zufolge am häufigsten hagelt.

Autor: Prof. Dr. Michael Kunz, IMK-TRO

Die Messung von Wind als vektorielle Größe (Windgeschwindigkeit und –richtung) mit starker räumlicher und zeitlicher Variabilität stellt große Herausforderungen an Messkonzept und Messtechnik, ist jedoch von grundlegender Bedeutung für das Verständnis des Energie- und Stoffhaushalts der Atmosphäre.

Doppler-Lidar Geräte ermitteln auf Basis des Doppler-Effekts entlang eines Laserstrahls die Geschwindigkeit von Streuern (Aerosolpartikeln), die sich mit dem Wind mitbewegen, bis in Entfernungen von maximal 10 Kilometern. Zur Bestimmung des Windvektors sowie vertikalen und horizontalen Schnitten wird der Laserstahl über ein steuerbares Spiegelsystem (Scanner) in verschiedene Richtungen in den Halbraum oberhalb des Geräts gelenkt. Ein besonderer Mehrwert entsteht durch den kombinierten und synchronisierten Einsatz der Geräte, wodurch sich entweder kleinräumig (z.B. in Tälern) höchstaufgelöste Strömungsmuster vermessen lassen oder, wie bei der Messkampagne Swabian MOSES, in weiter ausgedehnten Untersuchungsgebieten großräumigere Strömungseigenschaften, womit sich z.B. die für die Gewitterbildung wichtige Advektion und Strömungskonvergenz bestimmen lassen (s. Forschungsziele).

Im Rahmen von Swabian MOSES betreibt das IMK-TRO an insgesamt 7 Standorten im Untersuchungsgebiet zwischen östlichem Schwarzwald, Neckartal und westlicher Schwäbischer Alb Doppler-Lidar Geräte mit Datenübertragung in naher Echtzeit zur Bestimmung des Windprofils bis in Höhen von 3 Kilometern. Diese werden im Juni und Juli durch ein flugzeuggetragenes scannendes Doppler-Lidar ergänzt (s. Forschungsflugzeuge). Geräte der Projektpartner IMK-IFU und Universität Hohenheim ergänzen das Netzwerk um zwei weitere Standorte.

Autor: Dr. Andreas Wieser, IMK-TRO

Das vertikale Temperatur- und Feuchteprofil der Atmosphäre ist entscheidend für die Entstehung und Intensität von Gewitterereignissen. Darüber hinaus bestimmt das dreidimensionale (3D) Windfeld insbesondere im Aufwindbereich einer Gewitterwolke über die Stärke des Niederschlags in Form von Regen oder Hagel (s. Forschungsziele).

Mit Hilfe der kleinen (Größe eines Joghurtbechers) und leichten (12 Gramm) Schwarmsonden von Sparv können Vertikalprofile von Lufttemperatur, -feuchte, -druck und dem 3D Windfeld im mobilen Einsatz direkt in einer Gewitterwolke gemessen werden. Sie übertragen alle 4 Sekunden die gemessenen Parameter über Funk an die mobile Bodenstation. Eine Echtzeitkarte zeigt kontinuierlich die Position aller Sonden an. Die Schwarmsonde ist ein neuartiges Messinstrument, das bis zu einer Stunde lang mehrere Messreihen in einem definierten Luftvolumen liefert. Dabei können bis zu 17 ballongetragene Sonden gleichzeitig oder in unmittelbarer Nähe beispielsweise direkt vor einer Gewitterwolke gestartet werden. Die Sonden steigen bis zu einer benutzerdefinierten Höhe auf und folgen dann der Strömung in der Gewitterwolke auf sogenannten Lagrange‘schen Bahnen.

Die einzelnen Sonden können im weiteren Verlauf entweder per Fernbefehl oder ab einer weiteren, zuvor definierten Höhe von den Ballonen getrennt werden und so zu Boden fallen. Aufgrund ihres geringen Gewichts ist die Fallgeschwindigkeit und damit der Impuls beim Auftreffen auf den Boden gering, so dass die Sonden mehrfach verwendet werden können (sofern sie wiedergefunden werden).

Autor: Prof. Dr. Michael Kunz, IMK-TRO

Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS) ist eine mobile, berührungsfreie Technologie zur Bestimmung der mittleren Bodenfeuchte in der Umgebung von etwa 15 Hektar. Die Methode basiert auf der Detektion von im Boden "reflektierten" Neutronen. Da diese besonders sensitiv auf Wasserstoffatome reagieren, kann eine direkte Abhängigkeit der Neutronenintensität von dem vorherrschenden Wasser in der Wurzelzone um den Sensor herum abgeleitet werden. Da die Neutronen aus kosmischen Ereignissen, wie Sternenexplosionen zurückzuführen sind, bezeichnet man diese Messmethode als Cosmic-Ray Neutron Sensing. 

Im Inneren des Sensors befinden sich üblicherweise Detektorgase (z.B. Helium), welche auf durchfliegende Neutronen reagieren und einen Stromimpuls erzeugen. Diese Impulse werden gezählt und zusammen mit Informationen wie GPS-Koordinaten, Temperatur, Luftdruck und -feuchte im Datenlogger gespeichert. Anhand der gesammelten Informationen kann man aus dem Signal die Bodenfeuchte abschätzen.

Die stationären Sensoren werden bereits erfolgreich in der Forschung und Landwirtschaft eingesetzt, um stündliche Veränderungen der Bodenfeuchte über mehrere Jahre zu messen. Um Informationen über ein gesamtes Feld oder ein spezifisches Einzugsgebiet zu erhalten, kann der Detektor im mobilen Modus, dem sogenannten Roving verwendet werden. Dabei wird der Sensor in ein Fahrzeug eingebaut und zählt die Neutronen einfach während der Fahrt. Alle 10 Sekunden werden Messdaten und Koordinaten erhoben, sodass für die zurückgelegte Strecke eine durchschnittliche Bodenfeuchte berechnet werden kann. 

Im Rahmen der Messkampagne Swabian MOSES 2023 wird ein stationärer Cosmic-Ray-Sensor am Hauptstandort in Villingen-Schwenningen aufgestellt. So kann die mittlere Bodenfeuchte im Umkreis von etwa 200m um den Sensor und die Veränderung über den gesamten Messzeitraum bestimmt werden.

Im Einzugsgebiet der Lindach werden eventbezogene Fahrten mit einem mobilen Cosmic-Ray-Rover durchgeführt. Vor und nach Starkregenereignissen wird eine festgelegte Route abgefahren, sodass Veränderungen der Bodenfeuchte durch Niederschläge im Maßstab der Landschafts-Skala ermittelt werden können. Um die Messergebnisse des mobilen Sensors validieren zu können, werden die Standorte der Bodenfeuchtenetzwerke im Lindach-Einzugsgebiet angefahren. An den jeweiligen Stationen wird das Fahrzeug für fünf bis zehn Minuten neben dem Bodenfeuchtenetzwerk geparkt, da die Messunsicherheit geringer ist, je länger sich der Rover an einem Ort befindet. So können die Ergebnisse beider Messmethoden an bestimmten Punkten miteinander verglichen werden.

Eine solide Abschätzung der Bodenfeuchte im Bereich der Landschafts-Skala ist zum Beispiel relevant für hydrologische Modellierungen. Damit lassen sich zukünftige Wetterentwicklungen vorhersagen, beispielsweise um die Gefahr durch Dürren, Hitzewellen oder Hochwasser abzuschätzen (s. Forschungsziele).

Autor*innen: Mandy Kasner, Prof. Dr. Peter Dietrich, UFZ

Zusätzliche Informationen zum Thema Cosmic Ray Neutron Sensing & Roving sowie deren Verwendung in weiteren Projekten: Homepage