ARISE2 - Atmospheric dynamics Research InfraStructure in Europe. Phase 2

Land / Region: Europa

Projektanfang: 01.09.2015

Projektende: 31.08.2018

Projektstand: 17.08.2016

Die zweite Phase des Projekts ARISE wird durch das EU-Programm Horizon 2020 gefördert. Mit nunmehr 24 internationalen Mitgliedern hat sich das Projektkonsortium nach der ersten Phase insbesondere durch neue Partner auf dem afrikanischen Kontinent verdoppelt. Die Projektleitung übernimmt weiterhin das französische CEA, die BGR ist zweiter Partner und koordiniert als Arbeitspaketleiter die Implementierung innovativer Technologien und neuer Ansätze zur Datenauswertung im Projekt.

In ARISE2 soll komplementäre Instrumentierung (Infraschall, LIDAR und weitere Methoden der Fernerkundung) sowie deren Netzwerke zusammengeführt werden, um die 3D-Struktur atmosphärischer (Schwere-)Wellen und Turbulenzen von der Erdoberfläche bis in die Mesosphäre (bis zu 100 km Höhe) in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Ziel ist es, Erkenntnisse über die atmosphärische Dynamik zu gewinnen, die unter anderem einen Nutzen für die Verbesserung der Wetter- und Klimamodellierung haben. Darüber hinaus ist in ARISE2 auch die Überwachung von Vulkanaktivität mithilfe der verwendeten Netze (Abb. 1) vorgesehen. Die Entwicklung eines Frühwarnsystems vor Vulkanasche, welche insbesondere für den Luftverkehr ein Risiko darstellen kann, gehört zu den anwendungsorientierten Projektzielen von ARISE2.

Abb. 1: Das ARISE2-Stationsnetzwerk besteht aus einem Verbund von Infraschall-, LIDAR- und weiteren Messstationen in Europa und darüber hinaus, um die atmosphärische Dynamik von den tropischen bis zu den polaren Regionen nachvollziehen zu können. Außerdem dient das Netzwerk der Überwachung von Vulkanaktivität Quelle: BGR

Die BGR leitet gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) das Arbeitspaket 3 (“Innovative Instrumentation and Big Data“) und überwacht die Fortschritte bei der Entwicklung von Messinstrumenten. Neben diesen Prototypen werden im Arbeitspaket Programme zur automatischen Analyse und Charakterisierung von Beobachtungen entwickelt. Als nationales Datenzentrum zur Überwachung des CTBT und Betreiber von Infraschallstationen steht der BGR ein großer Datensatz an absoluten wie auch differentiellen Druckdaten zur Verfügung. Im Aufgabenpaket 3.4 (“Data Mining“) analysieren BGR-Mitarbeiter diesen Datensatz hinsichtlich der Dynamik der Atmosphäre. Zu den Phänomenen, die sich von der Troposphäre bis in die mittlere Atmosphäre ausbreiten und dort brechen können, gehören beispielsweise planetare Wellen, Schwerewellen und atmosphärische Gezeiten (Abb. 2). Durch ihren Energie- und Impulstransport haben sie einen Einfluss auf die dort herrschenden Bedingungen, die sich wiederum auf das Wetter in der unteren Atmosphäre auswirken. Das Verständnis derartiger Prozesse ist somit essentiell für deren adäquate Parametrisierung in Wetter- und Klimamodellen.

Abb. 2: Die ARISE-Grafik zeigt einige troposphärische Quellen diverser dynamischer Prozesse und deren Effekte in der mittleren Atmosphäre (Stratosphäre und Mesosphäre) Quelle: http://arise-project.eu/science.php

Die weltweit verteilten Infraschallstationen des Überwachungssystems der CTBTO eignen sich besonders zur Identifikation geografischer Unterschiede in den Zeitreihen der barometrischen Aufzeichnungen. Durch Wavelets und Spektraldichtekurven lassen sich die einzelnen Phänomene nach ihrem typischen Frequenzbereich unterscheiden.

Die bisher erlangten Ergebnisse belegen, dass die dynamische Aktivität im Periodenbereich von 2 bis 32 Tagen (Hoch- und Tiefdruckgebiete, planetare Wellen) in mittleren und hohen Breiten stärker ist als in tropischen Regionen. Darüber hinaus weist sie jenseits der Tropen einen jährlichen Zyklus auf, dessen Maximum im Hemisphärenwinter zu verzeichnen ist. Kürzerperiodische Ereignisse wie die thermischen Gezeiten, die infolge der Absorption der solaren Strahlung vergleichsweise geringe Druckschwankungen bewirken, finden sich in den Analysen an nahezu allen berücksichtigten Stationen. Die Amplituden der Gezeiten verringern sich mit zunehmender geografischer Breite und weisen in Übereinstimmung mit früheren Studien Maxima zu festen Tageszeiten auf (Abb. 3a). Allerdings werden die Gezeiten in mittleren und höheren Breiten oftmals durch Frontensysteme und horizontale Druckgradienten überlagert (Abb. 3b).

Abb. 3: Dargestellt sind die Zeitreihen des Luftdrucks zu Monatsbeginn in verschiedenen Jahreszeiten exemplarisch (nicht repräsentativ) im Jahr 2012 für eine Messstation in den Tropen (a) und die deutsche Station IS26 im Bayerischen Wald (b)

Weitere Analysen in den projektbezogenen Arbeiten der BGR werden sich auf Schwerewellen konzentrieren. Korrelationsanalysen sollen Kenntnisse über bestehende Zusammenhänge der genannten dynamischen Prozesse erweitern. Die BGR kann dank des so gewonnenen verbesserten Verständnisses über die Variabilität der Atmosphäre ihre Expertise in der Analyse und Ausbreitungsrechnung von Infraschall deutlich verbreitern, um somit essentielle Aufgaben im Bereich Monitoring und Verifikation des Kernwaffenteststopps durchführen zu können.

LIDAR-Messkampagne im Bayrischen Wald
Im Sommer 2016 wird an der GERES-Zentrale auf dem Sulzberg ein LIDAR (LIght Detecting And Ranging) des DLR betrieben (Abb. 4). Die gemeinsame Messkampagne dient zum einen dem erweiterten Testbetrieb des neuen LIDAR-Prototypen (ARISE2-Arbeitspakete 2 und 3). Zum anderen erhoffen sich DLR und BGR aus den abgeleiteten Vertikalprofilen der Temperatur zwischen ca. 20 und 100 km Höhe Hinweise auf Schwerewellen. Die Messungen werden von Anfang Mai bis voraussichtlich Ende September durchgeführt.

Abb. 4: Das DLR-LIDAR an der GERES-Zentrale (links) ist im Sommer 2016 nachts zur Messung von Temperaturprofilen bis 100 km Höhe in Betrieb. Es kennzeichnet sich durch einen grünen Laserstrahl (rechts), der senkrecht in die Atmosphäre gerichtet ist

Detaillierte Informationen zum Projekt: http://arise-project.eu/

Partner:

• Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Frankreich
• Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Deutschland
• Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), Frankreich
• University of Reading (UREAD), Großbritannien
• Stiftelsen Norwegian Seismic Array (NORSAR), Norwegen
• Universita Degli Studi Di Firenze (UNIFI), Italien
• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Deutschland
• Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI), Niederlande
• Leibniz Institute of Atmospheric Physics (IAP-KBORN), Deutschland
• Andøya Space Center (ALOMAR), Norwegen
• Institutet för RymdFysik (IRF), Schweden
• Norvegian University of Science and Technology (NTNU), Norwegen
• Ustav Fyziky Atmosfery (IAP-PRAGUE), Tschechien
• European-Mediterranean Seismological Centre (EMSC), Int. Organisation
• Université de la Réunion (UR), Frankreich
• University of Bern (UNIBE), Schweiz
• Tel Aviv University - Department of Geosciences (TAU), Israel
• National University of Ireland Maynooth (NUIM), Irland
• Veðurstofu Icelands/Icelandic Meteorological Office (IMO), Island
• Institut et Observatoire de Geophysique d'Antananarivo (IOGA), Madagaskar
• Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Pamantului/National Institute of Earth Physics (NIEP), Rumänien
• Universidade dos Açores - Fundação Gaspar Frutuoso - Centro de Vulcanologia e Avaliação de Riscos Geológicos (FGF-CVARG), Portugal
• Centre National de la Cartographie et de la Télédétection (CNCT), Tunesien

• Station Geophysique de Lamto (LAMTO), Elfenbeinküste