Atmospheric River Reconnaissance (AR Recon)
Atmosphärische Flüsse (Atmospheric rivers; ARs), lange schmale Bänder mit konzentriertem Wasserdampftransport, sind die Hauptursache für gefährliche Überschwemmungen und eine nutzbringende Wasserversorgung im Westen der Vereinigten Staaten. Initiativen zur Verbesserung der Vorhersagen von ARs und ihrer hydrologischen Auswirkungen sind durch den dringenden Bedarf an Unterstützung für das Wasserressourcen- und Notfallmanagement motiviert.
Die vom Center for Western Weather and Water Extremes (CW3E) ins Leben gerufene Atmospheric River Reconnaissance (AR Recon) ist eine Forschungs- und Betriebspartnerschaft (Research and Operations Partnership; RAOP) mit dem NOAA National Center for Environmental Prediction (NCEP), bei der die 53rd Weather Reconnaissance Squadron des U.S. Air Force Reserve Command und NOAA-Flugzeuge zusammen mit anderen Datenerfassungsmethoden eingesetzt werden (Abb. 1; Lavers et al., 2024), um kritische Datenlücken zu schließen, die zur Verbesserung der Vorhersagen von an der US-Westküste auftreffenden ARs erforderlich sind (Ralph et al., 2020).
Um dies zu erreichen, hat die AR Recon RAOP ein robustes internationales Netzwerk von Experten aus Regierung, Wissenschaft und Industrie aufgebaut, um eine US-Wetteraufklärungskapazität zu schaffen, die aktiv ARs im Nordpazifik überwacht, vorhersagt und untersucht. Diese Kampagnen verbessern die Vorhersagefähigkeit in Echtzeit durch die direkte Einbindung der Beobachtungen in Vorhersagemodelle während der Stürme. Außerdem arbeitet die Forschungskomponente von AR Recon daran, das Wettermodell selbst zu verbessern und neue Messungen sowie neuartige Datenassimilations- und Überprüfungsmethoden zu entwickeln, die die Vorhersagefähigkeit langfristig verbessern. Die bisherigen Ergebnisse, die im Rahmen der AR Recon-Forschungsarbeiten für mehrere Jahre und Einzelfälle veröffentlicht wurden, zeigen, dass diese Daten die Niederschlagsvorhersagen erheblich verbessern können.
Der Betriebszeitraum der kalten Jahreszeit in Nordamerika erstreckt sich über fünf Monate, vom 1. November bis zum 31. März. Die operationellen Messflüge werden hauptsächlich von Kalifornien und Hawaii aus durchgeführt, aber auch von Guam, Alaska, Utah, Oregon, Washington, Nevada und Mississippi aus.
Messsysteme und Einsatzmöglichkeiten
Flugzeuge: Sowohl die WC-130J Hercules (Abb. 2) als auch die NOAA G-IV (Abb. 3) sind mit Wetterinstrumenten zur Überwachung von ARs ausgestattet, um Daten über Bewegung, Größe und Intensität des Systems zu erhalten. Die bordeigene Ausrüstung analysiert die atmosphärischen Bedingungen wie Druck, Temperatur, Taupunkt und Windgeschwindigkeit. Diese Daten werden in Echtzeit über eine Satellitenverbindung gesendet, um sie in globale Wettermodelle einfließen zu lassen.
Dropsonden-System: Die Dropsonde ist mit einem Hochfrequenz-Funkgerät ausgestattet und wird innerhalb und in der Nähe des AR abgeworfen. Während das Instrument auf die Meeresoberfläche sinkt, misst es ein vertikales atmosphärisches Profil der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit, des barometrischen Drucks und der Winddaten und überträgt es an das Flugzeug. Die Dropsonde wird durch einen kleinen Fallschirm gebremst und stabilisiert. An Bord der C-130 empfängt, analysiert und kodiert der Dropsonde System Operator die Daten für die Übertragung via Satellit.
Airborne Radio Occultation (ARO): ARO-Daten liefern mithilfe von GPS-Satelliten und einem speziell entwickelten Empfänger ergänzende Profile zu den Dropsonden-Informationen und sammeln Daten, aus denen Temperatur und Feuchtigkeit extrahiert werden können. Die Profile sind von der Flugbahn des Flugzeugs weg geneigt, wobei die niedrigsten Punkte Informationen aus einer Entfernung von bis zu 400 km liefern.
Tail Doppler Radar (TDR): Das am Heck der G-IV montierte TDR ist ein 8.000-Watt-Radarsystem, das sich beim Vorbeiflug des Flugzeugs am Sturm langsam dreht und die Struktur mit Hilfe des Radars untersucht, um die Stärke des Sturms zu bestimmen. Die vom TDR gesammelten Bilder ermöglichen es Meteorologen und Forschern, die verschiedenen Schichten eines Sturms zu erkennen, was zur Verbesserung der Vorhersagemöglichkeiten beiträgt.
Drifter: In Zusammenarbeit mit dem von der NOAA finanzierten Global Drifter Program der Scripps Institution of Oceanography werden zu Beginn der AR Recon Saison satellitengestützte Drifter mit Barometern zur Messung des atmosphärischen Drucks an der Meeresoberfläche im Nordpazifik eingesetzt. Diese Bojen zielen auf die Regionen des Nordpazifiks ab, in denen die höchste Anzahl von AR-Tagen pro Jahr verzeichnet wird. Es handelt sich entweder um Directional Wave Spectra-Barometer (DWS-B) Driftbojen oder Surface Velocity Program - Barometer (SVP-B) Driftbojen. Beide Arten von Driftbojen liefern dieselben Daten über die Temperatur der Meeresoberfläche und den Luftdruck auf Meereshöhe, aber die DWS-B-Bojen sind ungebremst und liefern Informationen über die Wellenspektren, während die SVP-B-Driftbojen oberflächennahe Meeresströmungen in einer Tiefe von 15 m messen. Diese Bojen liefern wichtige Messungen des Luftdrucks auf Meereshöhe, der Wassertemperatur und der Wellen in einer Region, in der Daten für numerische Wettervorhersagen und Klimastudien fehlen.
Radiosonden: Die Radiosonden-Startstationen von CW3E sind über verschiedene Wassereinzugsgebiete im Westen der Vereinigten Staaten verteilt, um die Forecast Informed Reservoir Operations (FIRO) zu unterstützen. Diese Stationen spielen eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung der Entwicklung und Intensität von ARs, die an der Westküste der USA auftreffen. Während Sturmereignissen bringt CW3E Radiosonden an Wetterballons an, um Druck, Temperatur, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie Luftfeuchtigkeit zu messen, während der Wetterballon bis zu einer Höhe von etwa 25.000 Metern in die Atmosphäre aufsteigt. Die Radiosonden werden während eines Sturms alle drei Stunden gestartet, können aber in Zeiten hohen Interesses auch häufiger starten. Die Daten werden an das Global Telecommunications System gesendet und stehen für die Einbindung in globale Wettermodelle zur Verfügung.
Globale Sondierungsballons: WindBorne Systems entwickelt, fertigt und betreibt einen mit künstlicher Intelligenz ausgestatteten, hochgradig nachhaltigen globalen Sondierungsballon (GSB) mit langer Lebensdauer, der atmosphärische Daten in einer Höhe von 1 bis 15 km über der Erdoberfläche sammelt. Der GSB misst die gleichen Daten wie ein herkömmlicher Wetterballon, kann aber wochenlang in der Luft bleiben und weit entfernte Orte erreichen, während er sich entlang von Windströmungen um die Welt bewegt. Während des Fluges werden GSBs oft gesteuert, wiederholt auf- und abzusteigen, um vertikale Profile von atmosphärischen Daten zwischen 1 und 15 km über der Erdoberfläche zu sammeln. Pro Flug werden bis zu 40 vertikale Datenprofile gesammelt, mit einer Effizienz von bis zu 150-mal mehr Daten pro Kostendollar im Vergleich zu herkömmlichen Wetterballons. WindBorne startet mehr als 100 Ballons pro Monat von einer wachsenden Zahl von Startplätzen auf drei Kontinenten: Nordamerika, Asien und Afrika. Die gesamte Technologie von WindBorne, von der Ballonplattform über die autonome Flugsoftware bis hin zu den KI-basierten Prognosen, wird in Kalifornien entwickelt und gebaut.
Koordinierte Beobachtungen während NAWDIC
Das AR Recon RAOP beabsichtigt, im Winter 2025/2026 Aufklärungsflüge in den Golf von Mexiko und den westlichen Nordatlantik auszudehnen, was die Forschungsziele von NAWDIC ergänzen würde. Es wird erwartet, dass die Beobachtung von ARs in diesen beiden Regionen die Vorhersage von Wirbelstürmen und Warm Conveyor Belts in der Nähe der US-Ostküste verbessern wird, die sich wiederum auf die Verstärkung von stromabwärts gelegenen Rücken und die Struktur der oberen Troposphäre in der Entstehungsregion von Dry Intrusions (DIs) auswirken. Die koordinierten Flüge von AR Recon und dem HALO-Forschungsflugzeug während NAWDIC werden dazu beitragen, erstmals eine Verbindung zwischen den stromaufwärts gelegenen Feuchtequellen über dem Westatlantik und der obertroposphärischen DI-Bildung sowie stromabwärts gelegenen Extremwetterereignissen über Europa herzustellen.
Kontakt: Marty Ralph (CW3E), Anna Wilson (CW3E), Vijay Tallapragada (NOAA/NCEP/Environmental Modeling Center)
