Windiges Wetter ‒ wie wir es besser bestimmen können

Der Wind ist eine entscheidende Größe in der Meteorologie und Wettervorhersage. Windmessungen in Bodennähe sind mit sogenannten Anemometern, die an Messmasten angebracht werden, relativ einfach umsetzbar und vielen Menschen bekannt. Für die Messung des Windes in großen Höhen braucht es hingegen komplexe Laserinstrumente, sogenannte Doppler-Lidare. Das IMKTRO setzt im Atmosphärenbeobachtungssystem KITcube ein Netzwerk aus bis zu zehn eigenen Doppler-Lidaren ein. Diese Lasermessgeräte senden infrarotes Laserlicht aus und empfangen das von Aerosolen zurückgestreute Licht wieder. Der Wind kann dann anhand der Dopplerverschiebung des rückgestreuten Infrarotlichts bestimmt werden. Anschaulich kommt es durch die Bewegung der Aerosole zu einer kleinen Farbverschiebung des zurückgestreuten Lichts, die hochgenau vermessen werden kann. Diese Windmessung funktioniert jedoch nur in Richtung des Laserstrahls. Es werden somit nur Windbewegungen vom Doppler-Lidar weg oder zum Doppler-Lidar hin direkt gemessen. 

In der Meteorologie und Wettervorhersage wird jedoch die Windgeschwindigkeit in allen drei Raumrichtungen benötigt, der sogenannte Windvektor. Zur Bestimmung des Windvektors über die verschiedenen Höhen (sogenanntes Windprofil) sind Lidar-Messungen in verschiedene Richtungen erforderlich. Der Laserstrahl kann dazu mittels eines Scanners geneigt und und in verschiedene Richtungen ausgesendet werden. In sogenannten Scans werden die Messungen in verschiedene Richtungen durchgeführt und dazu die notwendigen Positionen mit dem Scanner abgefahren. Für die Berechnung des resultierenden Windprofils aus den einzelnen Lidar-Messungen waren bislang spezialisierte Software und jeweils Anpassungen für die einzelnen Geräte und Scans erforderlich. Insbesondere die zuverlässige Unterscheidung von vertrauenswürdigen und fehlerhaften Messungen stellt eine Herausforderung dar. Einerseits sollen nur hochqualitative Messungen genutzt werden, andererseits sollen möglichst wenige Messungen unnötig verworfen werden. 

Um das Verfahren der Windprofilberechnung zu vereinfachen und zu standardisieren, haben Forscher des IMKTRO nun eine neuartige Software entwickelt. Das Atmospheric Profile Processing toolKIT (AtmoProKIT) setzt dabei auf einen modularen Ansatz, um die Vielfalt an Doppler-Lidaren, Scanmustern und Einsatzoptionen abzudecken. Die einzelnen Prozessierungsschritte werden hierbei in standardisierten Modulen durchgeführt. Zur Berechnung von Windprofilen werden die Module in Modulketten verknüpft und ausgeführt. Durch eine geänderte Anordnung der Module können einfach Änderungen an der Windberechnung vorgenommen werden. Das Vorgehen bleibt dabei immer reproduzierbar, denn die jeweils verwendete Modulkette wird automatisch dokumentiert. Für die qualitätsgesicherte Berechnung von Windprofilen aus unterschiedlichen Doppler-Lidar-Systemen steht eine Standardmodulkette zur Verfügung, die keinerlei Programmieraufwand erfordert. Die Standardmodulkette unterscheidet dabei automatisch vertrauenswürdige von nicht vertrauenswürdigen Messungen. In Vergleichsmessungen mit Radiosonden konnte eine hohe Qualität der erzeugten Windprofile für verschiedene Typen von Doppler-Lidaren unter verschiedensten meteorologischen Bedingungen gezeigt werden. 

Die am IMKTRO neu entwickelte Software ist open-source verfügbar und ermöglicht die einfache, verlässliche und reproduzierbare Berechnung von Windprofilen. Damit können Doppler-Lidar-Messdaten zukünftig einfacher für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, von der Windenergie bis zum Wintersturm.

Code: https://codebase.helmholtz.cloud/KIT-KIAOS/KITcube/AtmoProKIT

Publikation: Erdmann, A. and Gasch, P.: Modular wind profile retrieval software for heterogeneous Doppler lidar measurements (AtmoProKIT v1.1), Geoscientific Model Development, 19, 2497-2529, https://doi.org/10.5194/gmd-19-2497-2026, 2026.