Durchbruch in der Klimaforschung: Wolken in 3D sollen bestehende Wettermodelle verbessern

    Wolken bedecken rund zwei Drittel der Erdoberfläche und beeinflussen den Strahlungshaushalt des Planeten maßgeblich. Darum sollen sie künftig nicht mehr nur eindimensional, sondern dreidimensional analysiert werden. Ein neues Forschungsprojekt soll kommende Klimamodelle revolutionieren.

    Wolken sind hochvariabel und weisen eine komplexe Dynamik auf
    Wolken sind hochvariabel und weisen eine komplexe Dynamik auf. Bild: ELG21/Pixabay

    Wolken spielen eine zentrale Rolle im Strahlungshaushalt der Erde. Je nach Eigenschaften – Struktur, Höhe und Tageszeit – beeinflussen sie die Temperatur und wirken entweder kühlend oder wärmend. Wegen stark vereinfachten Modellen ist der jeweilige Effekt jedoch oft schwer vorherzusagen.

    Seit den ersten Wettersatelliten in den 1960er-Jahren bemüht sich die Klimaforschung, die globale Wolkenverteilung und ihre Strahlungseffekte zu erfassen. Doch bislang fehlten präzise Daten, um die komplexe Dynamik und die variablen mikrophysikalischen Prozesse abzubilden.

    Doch inzwischen existieren Ansätze, die Strahlungseffekte mit einigen Wolkeneigenschaften wie dem Flüssigwasserpfad oder dem Bedeckungsgrad zu erklären. Diese Ansätze will nun eine neue Forschungsgruppe weiterentwickeln, um die dreidimensionalen Strahlungseffekte besser darstellen zu können.

    Die Forschungsgruppe C3SAR (Cloud 3D Structure And Radiation) hat sich eine unverzerrte Fernerkundung der Atmosphäre sowie eine bessere Wetter- und Klimamodellierung zum Ziel gesetzt.

    Probleme herkömmlicher Modelle

    In herkömmlichen Modellen werden Wolken vereinfacht als homogene Objekte dargestellt – die Schwäche ist seit Jahrzehnten bekannt. Da natürliche Wolken jedoch hochgradig variabel sind, reichen gemittelte physikalische Eigenschaften für präzise Modelle meist nicht aus. Die neue Forschungsgruppe will daher Strahlungseffekte mit dreidimensionalen Ansätzen erfassen und so eine realitätsnähere Darstellung erreichen.

    C3SAR bringt rund 25 Forschende von der Universität zu Köln, der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Leibniz Universität Hannover, dem Deutschen Wetterdienst (DWD) und TROPOS zusammen.

    Dabei sollen neue Satelliten helfen: Die dritte Generation der Meteosat-Wettersatelliten (MTG) sowie der ESA-Klimasatellit EarthCARE, beide seit 2024 in Betrieb, können Wolken in nie dagewesener Detailtiefe beobachten.

    Kombination von Messtechniken

    Neben Satellitendaten sollen auch bodengestützte Messungen wichtige Erkenntnisse liefern. Geplant ist etwa eine groß angelegte Feldkampagne im Sommer 2026 am Richard-Aßmann-Observatorium des DWD in Lindenberg. Dort wird das bestehende Messnetz durch zusätzliche Instrumente erweitert, um die optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften von Wolken, die Sonneneinstrahlung sowie ihre spektrale Verteilung besser messen zu können.

    Dreidimensionale Wolkenmodelle sollen künftig die Strahlungseffekte besser abbilden
    Dreidimensionale Wolkenmodelle sollen künftig die Strahlungseffekte besser abbilden. Bild: HarmonyCenter/Pixabay

    Innovativ ist auch der Einsatz des sogenannten Pyranometer-Messnetzes (PyrNet), das die solare Bestrahlungsstärke in hoher räumlicher Auflösung erfasst. Das wird ergänzt durch neue In-situ-Messmethoden der Leibniz Universität Hannover zur präzisen Analyse der Richtungsverteilung der Sonnenstrahlung (Strahldichte). Die Daten sollen mit Satellitenbeobachtungen und Modellergebnissen verglichen werden.

    Das Netzwerk PyrNet umfasst bis zu 100 mobile Einzelstationen, die jeweils mit mindestens einem Pyranometer sowie einem Temperatur- und Feuchtesensor ausgestattet sind. Die Stationen lassen sich flexibel bei Feldmessungen positionieren.

    Durch die Kombination modernster Fernerkundungsmethoden mit hochauflösender Modellierung eröffnen sich neue Wege für die Klimaforschung. Die Forschenden hoffen, die dreidimensionale Wolkenstruktur künftig in globale Klimamodelle integrieren zu können.

    Das Projekt könnte eine zentrale Lücke in der Wolkenforschung schließen und erstmals gängige Modellfehler korrigieren, die aus der bisherigen Vereinfachung der Wolkengeometrie resultieren. Die Genauigkeit von Klimamodellen könnte erheblich verbessert werden und Prognosen zum Klimawandel könnten zuverlässiger werden.