Untersuchung von Aerosol-Strahlung-Wolken Wechselwirkungen mit Ceilometerdaten im Rahmen des PermaStrom Projektes
Authors: Wagner Annette , Bachmann Vanessa , Filipitsch Florian , Förstner Jochen , Hoshyaripour Ali , Mattis Ina , Menken Julia , Muth Lisa , Porz Nikolas , Rohde Anika , Seifert Axel , Thomas Werner , Vogel Heike , Vogel Bernhard , Wagner Frank 
Published: December 2021

&lt;p&gt;Im Zusammenhang mit der geplanten Energiewende in Deutschland und Europa werden exakte Photovoltaikertragsprognosen immer wichtiger. In den meisten operationellen Wettervorhersagemodellen bleiben jedoch Aerosol- Strahlungs- und Wolkenwechselwirkungen bisher unber&amp;#252;cksichtigt, was besonders bei Sonderwetterlagen wie Saharastaub oder Waldbrandaerosolepisoden zu Fehlprognosen des PV Ertrags f&amp;#252;hren kann. Das vom BMWi gef&amp;#246;rderte Verbundprojekt (Partner: DWD, KIT, Meteocontrol) PermaStrom (Photovoltaikertragsprognose zum besseren Management des Einflusses des atmosph&amp;#228;rischen Aerosols auf die Stromnetze in Deutschland und Europa) untersucht deshalb unter anderem die Parametrisierung von Aerosol-Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen im ICON-ART Vorhersagemodell.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Zur Validierung des modellierten Bedeckungsgrades der 24h Modellvorhersage w&amp;#228;hrend Saharastaubereignissen wurden Ceilometerdaten verwendet.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Ceilometer sind bodengest&amp;#252;tzte Fernerkundungssensoren, welche nach dem Lidar-Prinzip zeitlich und vertikal hoch aufgel&amp;#246;st die H&amp;#246;he von Wolkenunterkanten sowie Profile der Aerosolr&amp;#252;ckstreuung messen. Aus Ceilometerdaten an 13 verschiedener Stationen in Deutschland wurden st&amp;#252;ndliche Werte des Bedeckungsgrades w&amp;#228;hrend Saharastaubereignissen vertikal aufgel&amp;#246;st (500m, von 0-12000m) extrahiert und mit den st&amp;#252;ndlichen ICON-ART Vorhersagen sowie einem Kontrollexperiment ohne Staub verglichen.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Die Auswertung der mittleren Abweichung des Bedeckungsgrades zwischen Modell und Ceilometer zeigt in Wintermonaten im Mittel &amp;#252;ber die 13 Stationen eine &amp;#220;bersch&amp;#228;tzung der modellierten bodennahen Bew&amp;#246;lkung (0-1000m) zwischen 2-10% und der hohen Bew&amp;#246;lkung (6000-10000m) zwischen 1-9%, w&amp;#228;hrend bei der mittelhohen Bew&amp;#246;lkung (1500m - 4000m) der modellierte Bedeckungsgrad um 1-4% geringer ist als in den Ceilometermessungen. Auff&amp;#228;llig ist auch die Untersch&amp;#228;tzung des modellierten Bedeckungsgrades bis zu 4% bei Wolken &amp;#252;ber 10000m. Dies ist insbesondere interessant, da sich gezeigt hat, dass hohe Zirruswolken im Zusammenhang mit Saharastaubereignissen bislang h&amp;#228;ufig nicht korrekt vorhergesagt werden k&amp;#246;nnen.&amp;#160; F&amp;#252;r die Sommermonate finden sich insgesamt gr&amp;#246;&amp;#223;ere Abweichungen, besonders oberhalb 8000m wird der Bedeckungsgrad modellseitig um bis zu 15% &amp;#252;bersch&amp;#228;tzt. Der ICON-ART-Lauf mit Staub weist gegen&amp;#252;ber dem Kontrollexperiment ohne Staub in zwei von vier Monaten geringere Abweichungen (um 8-10% geringer) in Bezug auf die aus Ceilometermessungen bestimmten Bedeckungsgrade auf.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Noch deutlicher wird die Verbesserung bei der gesonderten Betrachtung von Tag-und Nachtzeiten. Hier ergibt sich w&amp;#228;hrend der Nachtstunden eine verbesserte Modellierung der Bew&amp;#246;lkung zwischen 1 und 11% in allen untersuchten Monaten. Tags&amp;#252;ber ergaben sich Verbesserungen in drei von 4 Monaten von 10 bis 26% im Vergleich zum ICON-ART Kontrollexperiment ohne Staubber&amp;#252;cksichtigung.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Die Ergebnisse zeigen, dass das ICON-ART Modell, das bisher nur den direkten und semi-direkten Effekt des Aerosols auf die Strahlung ber&amp;#252;cksichtigt, bereits eine verbesserte Vorhersage der Bew&amp;#246;lkungssituation bei Saharastaubereignissen liefern kann. Im weiteren Projektverlauf ist eine Erweiterung des Modelles um zus&amp;#228;tzliche Aerosolkomponenten und eine Einbeziehung der mikrophysikalischen Effekte des Aerosols auf die Wolkenbildung geplant.&lt;/p&gt;