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ICE-GENESIS: Analyse der in Les Éplatures durchgeführten Messungen
Im Rahmen des Projekts ICE-GENESIS, das durch das Rahmenprogramm der Europäischen Union für Forschung und Innovation «Horizon 2020» (Finanzhilfevereinbarung 824310) finanziert wird, wurde in der zweiten Januarhälfte am Flughafen Les Éplatures in La Chaux-de-Fonds eine Messkampagne mit Messungen aus dem Flugzeug und vom Boden aus durchgeführt, um die Schneeniederschläge zu untersuchen. In diesem Blog werden wir auf die Schneemessungen vom 27. Januar 2021 eingehen.
Erinnerung an die vorherigen Folgen
Dieser Blog ist Teil 3 einer Serie, die auf Französisch publiziert wurde. In Folge 1 (FR) dieser Reihe haben wir über die Ziele der Kampagne ICE-GENESIS und die mit Météo-France eingegangene Zusammenarbeit berichtet. Zusammengefasst soll das Projekt ICE-GENESIS bessere Simulationen von Vereisungsphänomenen an Luftfahrzeugen ermöglichen. Im Rahmen des Projekts wurde in La Chaux-de-Fonds eine Messkampagne zur Untersuchung des Schneefalls mit Messungen aus dem Flugzeug und vom Boden aus durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden eine Reihe von Messinstrumenten am Boden installiert, insbesondere Wetterradargeräte. MeteoSchweiz erstellte gemeinsam mit Météo-France die Vorhersagen für die Planung der wissenschaftlichen Flüge. So konnten günstige Zeiten und Flughöhen für die mit dem Flugzeug durchgeführten Messungen ermittelt werden.
In Folge 2 (FR) haben wir die Gesamtsituation und die für den Flug vom 27. Januar getroffenen Vorhersagen analysiert. In dieser letzten Folge entschlüsseln wir nun einige der während des Schneeereignisses vom 27. Januar getroffenen Massnahmen, um die Nützlichkeit dieser Daten für die Untersuchung von Schneeniederschlägen aufzuzeigen.
Verwendete Messinstrumente
Im Rahmen dieser Kampagne kamen verschiedene Messinstrumente zum Einsatz. Hier wollen wir die Daten des Wolkenradars sowie der Multi-Angle Snowflake Camera (MASC) des Environmental Remote Sensing Laboratory der EPFL (LTE) vorstellen. Das besagte Radar (siehe Abb. 1a) ist ein Profiler, das heisst, es misst nur in vertikaler Richtung und besitzt kein bewegliches Element, mit dem es, wie beispielsweise die Niederschlagsradare von MeteoSchweiz, die Atmosphäre scannen kann. Wie alle Radarsysteme sendet es ein elektromagnetisches Feld aus und misst die durch die Niederschläge zurückreflektierte Leistung. Anhand dieser empfangenen Leistung lässt sich über die Radargleichung (FR) die Reflektivität berechnen. Die Reflektivität ist insbesondere von der Grösse der Hydrometeore (Regentropfen oder Schneeflocken) und in geringerem Umfang von ihrer Konzentration abhängig. Eine hohe Reflektivität steht somit für intensive Niederschläge. Über die Zusammenhänge zwischen der Reflektivität und der Niederschlagsintensität lassen sich unsere Radardaten in mm/h umrechnen. Bei dem Radarsystem in Abb. 1a handelt es sich ausserdem um ein Doppler-Radar, das Doppler-Geschwindigkeitsdaten der Hydrometeore misst. Die Doppler-Geschwindigkeit ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Hydrometeore relativ zum Radarsystem. Bei einem vertikalen Profiler handelt es sich dabei um ihre Vertikalgeschwindigkeit.
Datenanalyse
Abbildung 2 zeigt die durch das Wolkenradar am 27. und 28. Januar 2021 gemessene Reflektivität und Doppler-Geschwindigkeit. Negative Geschwindigkeiten (blau) zeigen Bewegungen in Richtung des Radars an, also fallende Hydrometeore. Positive Geschwindigkeiten (rot) treten in Aufwindzonen in den Wolken auf. Insbesondere ist am 27. Januar gegen 07:00 Uhr UTC auf 2000 m Höhe eine 300 m starke Aufwindzone zu erkennen. Nach 22:00 Uhr UTC am 27. Januar ist ein vom Boden bis in ca. 1700 m Höhe reichender Bereich dunkelblau eingefärbt. Dieser schnelle Wechsel von niedriger zu hoher Doppler-Geschwindigkeit (von rund 1 m/s auf mehr als 3 m/s Absolutgeschwindigkeit) ist auf das Schmelzen von Schneeflocken zu Regentropfen zurückzuführen. Tatsächlich fallen Regentropfen fast zehnmal so schnell wie Schneeflocken. Daher ist in der Höhe, in der die Schneeflocken schmelzen, ein schneller Anstieg der Doppler-Geschwindigkeit zu beobachten. Doppler-Radargeräte sind somit sehr gute Instrumente zur Messung der Schneefallgrenze.
In unserem Fall schneit es in Les Éplatures bis etwa 22:15 Uhr UTC. Dann steigt die Schneefallgrenze nach dem Durchziehen der Warmfront innerhalb weniger Minuten von Bodenhöhe auf 1700 m an. In Abbildung 3 ist auch zu erkennen, dass die durch COSMO-1E getroffene Prognose (siehe vorigen Blog (FR)) diesen Wechsel von Schneefall zu Regen recht gut vorhersagt, allerdings laut Modell eine Stunde zu früh. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die intensiveren Niederschläge am 28. Januar zwischen 08:00 Uhr und 13:00 Uhr UTC, die Schauer am 28. zwischen 15:00 Uhr und 23:00 Uhr UTC sowie das Ende der Niederschläge ziemlich gut vorhergesagt wurden. Diese Vorhersagen waren insbesondere für die Zeitplanung des Flugs sehr hilfreich, der dann am 27. Januar zwischen etwa 14:00 Uhr und 17:00 Uhr UTC während der Phase der intensivsten Schneefälle und vor Beginn des Regens durchgeführt wurde. Dies ermöglicht schöne Vergleiche zwischen den Schneemessungen vom Boden aus und jenen aus dem Flugzeug.
Letztendlich konnten somit dank der Vorhersagen gute Entscheidungen in Bezug auf den Flugzeitpunkt getroffen werden.
Abbildung 4 zeigt mit der MASC aufgenommene Bilder. Dieses Instrument (Abb. 1b) erstellt automatisch Fotografien frei fallender Schneeflocken und misst ihre Fallgeschwindigkeit. Mit einem am LTE entwickelten Algorithmus können diese Schneeflocken nach ihren mikrophysikalischen Eigenschaften klassifiziert werden. Dadurch können wir die Messwerte und somit letztendlich die Schneefallvorhersagen verbessern. Der betreffende Algorithmus hat die Bilder in Abbildung 3(a-b) als Aggregate, in (c) als Eiskristalle und in (d) als Graupel klassifiziert. Eiskristalle entstehen durch Wasserdampfabscheidung. Ihre Formen sind von den Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen abhängig. Die Aggregate entstehen durch Kollisionen von Eiskristallen während des Fallens. Manchmal sind noch die einzelnen Kristalle zu erkennen, aus denen sich ein Aggregat gebildet hat. Auf Aufnahme (b) sind beispielsweise die Verästelungen eines Dendriten (sternförmigen Kristalls) zu erkennen, der zu diesem Aggregat gehört. Graupel (Abb. 3d) sind nach dem Durchqueren einer Zone mit unterkühltem Wasser (flüssiges Wasser bei Temperaturen unter 0 °C) vollständig vereiste Teilchen. Die Vereisung entsteht beim Übergang unterkühlter Wassertröpfchen in den festen Zustand bei Kontakt mit einer festen Oberfläche. Bei dieser Oberfläche kann es sich um eine Schneeflocke, aber auch um die Tragfläche eines Flugzeugs handeln.
Neben der Klassifizierung von Schneeflocken kann der MASC-Algorithmus aber auch den Vereisungsgrad der Flocken bestimmen und damit wichtige Informationen für den Flugverkehr liefern. Vereisung an einem Luftfahrzeug kann dessen aerodynamische Eigenschaften beeinträchtigen und im schlimmsten Fall zum Strömungsabriss führen. Anhand der MASC-Daten konnte ermittelt werden, dass sich der Vereisungsgrad während des Ereignisses im Mittel um 0,4 bewegte (0 = keine Vereisung, 1 = vollständig vereist, Graupel). Der Spitzenwert bei hohem Graupel-Anteil lag bei 0,6. In unseren Vorhersagen haben wir die Piloten auf moderate bis zu stellenweise erhebliche Vereisung hingewiesen. Die MASC-Daten haben die Richtigkeit der Vereisungsvorhersagen bestätigt. Somit konnten vom Flugzeug aus Messungen unter Vereisungsbedingungen vorgenommen und wichtige Messwerte für die Untersuchung der Auswirkungen von Vereisung auf Luftfahrzeuge gesammelt werden. Dies war eines der Hauptziele der Kampagne. Darüber hinaus konnten sich die Piloten dank der Vereisungsvorhersagen auf die betreffenden Bedingungen vorbereiten und besser mit der Situation umgehen. Und schliesslich liess sich anhand der MASC-Aufnahmen übereinstimmend mit unseren Beobachtungen aus Abb. 2 der Übergang von Schnee zu Regen gegen 22:00 Uhr UTC bestätigen.
Zusammenfassung
Die in diesem Blog vorgestellten Messungen zeigen, dass die für den Flug vom 27. Januar erstellten Vorhersagen zutreffend waren und eine gute Flugplanung ermöglichten. Ausserdem konnten die angekündigten Vereisungsbedingungen durch die Messungen bestätigt werden.
Die Kombination aus den während dieser Kampagne aufgezeichneten Radardaten, den in-situ am Boden vorgenommenen Messungen und den Messungen in den Wolken ermöglicht den Wissenschaftlern ein besseres Verständnis der mikrophysikalischen Eigenschaften des Schnees. Die Ergebnisse dieser Kampagne werden somit zu besseren Schneefallmessungen und -vorhersagen beitragen. Im Rahmen des Projekts ICE-GENESIS werden diese Daten insbesondere zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von Vereisung und Schneefall auf Luftfahrzeuge führen und somit dazu beitragen, ihre Leistungsfähigkeit und Sicherheit weiter zu verbessern.