Experimentelle Validierung und Assimilation von Aeolus Beobachtungen - Validierung der Wind- und Aerosolprodukte der europäischen Satellitenmission Aeolus und Assimilationsexperimente mit numerischen Modellen zur Wettervorhersage; Teilprojekt 1: Validierung und Impact-Abschätzung von Aeolus-Messungen im DWD Modellsystem; Teilprojekt 2: Validierung der Aeolus Aerosol- und Windprodukte durch bodengebundene Instrumente des DWD-RAO, des DWD-Windprofilradarmessnetzes und weiterer Referenzmessungen; Teilprojekt 3: Validierung der Aerosolprodukte und Charakterisierung der Atmosphäre für die Validierung der Windprodukte durch bodengebundene Messungen mit dem Lidar POLIS

Abstract

Im August 2018 wurde die europäische Satellitenmission Aeolus mit einem Doppler-Windlidar an Bord gestartet, um global höhenaufgelöste Winddaten zu messen. Neben der Demonstration der Machbarkeit eines Doppler-Windlidars im Weltall, war es vor allem wichtig, die durch die Weltorganisation für Meteorologie identifizierte Winddatenlücke im globalen Beobachtungssystem zu schließen. Damit die von Aeolus gemessenen Winddaten in den Modellen zur numerischen Wettervorhersage (NWP) optimal genutzt werden können, ist es essentiell ihre Qualität und ihren systematischen, sowie zufälligen Fehler während der Mission fortlaufend zu bestimmen. Hierfür wurden in den Teilprojekten 1 und 2 des Verbundvorhabens Referenzmessungen von Radar-Windprofilern des Deutschen Wetterdienstes über Deutschland, sowie Radiosondenbeobachtungen und Modelläquivalente aus NWP-Modellen auf globaler Basis genutzt, um eine kontinuierliche Langzeit-Validierung der Aeolus-Daten über den gesamten Missionszeitraum durchzuführen. Dabei konnte eine starke Variabilität des systematischen und auch zufälligen Fehlers, gerade zum Beginn der Satellitenmission identifiziert werden, die durch Aktualisierungen der Datenprozessoren und Reprozessierungen älterer Datensätze im Laufe der Mission beseitigt werden konnte. Darüber hinaus konnten Abhängigkeiten des zufälligen Fehlers zum Beispiel von der Orbitphase (aufsteigend, absteigend), von den variablen Range-Bin-Größen, aber auch von sinkender Laserenergie, von der saisonalen Variabilität im solaren Hintergrund oder eines sinkenden Signals im Atmosphärenpfad gefunden werden. Mit Assimilationsexperimenten konnte ein signifikanter, positiver Einfluss der Aeolus-Winde auf die Wettervorhersage insbesondere in den Tropen und auf der Südhemisphäre gezeigt werden, der sich besonders auf die Umgebung großräumiger Zirkulationssysteme, auf konvektive Gebiete und auf Jetstreamregionen konzentriert. Untersuchungen zum dynamischen Einfluss von Aeolus auf die Wettervorhersage zeigten unter anderem einen wichtigen Beitrag von Aeolus zum Erfassen der Divergenz in der oberen Troposphäre der mittleren Breiten, was von vielen Systemen unbeobachtet bleibt. Die in den Teilprojekten gefundenen Ergebnisse konnten durch den direkten Austausch mit der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA und mit den Entwicklern der Datenprozessoren für weitere Qualitätsverbesserungen genutzt werden und fließen auch bei der Planung der Aeolus-Folgemission mit ein um so den Nutzen für die Wettervorhersage auch in Zukunft weiter zu optimieren. In August 2018, the European satellite mission Aeolus was launched with a Doppler wind lidar to measure vertical wind profiles on a global basis. Besides the technical demonstration of a Doppler wind lidar in space, it was important to fill the gap of wind data in the global observing system, identified by the World Meteorological Organization. To make optimal use of Aeolus wind observations in the numerical weather prediction models, it is essential to continuously monitor their quality and its systematic and random error throughout the entire mission. In sub-projects 1 and 2 of the joint project, reference measurements from radar wind profilers of the German Weather Service over Germany as well as radiosonde observations and model equivalents from NWP models on a global basis were used to perform a continuous long-term validation of the Aeolus data over the entire mission period. A strong variability of the systematic and also random error could be identified, especially at the beginning of the satellite mission, which could be corrected by updates of the data processors and reprocessing of older data sets during the mission. Furthermore, dependencies of the random error could be found, for example, on the orbit phase (ascending, descending), on the variable range-bin sizes, but also on decreasing laser energy, on the seasonal variability in the solar background, or on a decreasing signal in the atmospheric path. Assimilation experiments have demonstrated a significant, positive influence of Aeolus winds on weather forecasting, particularly in the tropics and southern hemisphere, especially concentrated around large-scale circulation systems, convective areas, and jet stream regions. Investigations of the dynamical influence of Aeolus on weather forecasting showed, among other things, an important contribution of Aeolus to the detection of divergence in the upper midlatitude troposphere, which remains unobserved by many systems. The results found in the sub-projects could be used for further quality improvements through direct exchange with the European Space Agency ESA and with the developers of the data processors and will also be used in the planning of the Aeolus follow-on mission to further optimize the benefits for weather forecasting in the future.