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Wasserisotope verbessern Wetterprognosen bis zu fünf Tage im Voraus
Zusätzliche Wetterspur aus dem Wasserkreislauf: Seltene Varianten von Wassermolekülen verraten, wo Luftmassen Feuchte aufgenommen und wieder abgegeben haben. Werden solche Isotopensignale aus Satellitendaten in ein Wettermodell eingespeist, sinken die Fehler bei Wind, Temperatur, Feuchte und geopotenzieller Höhe bis fünf Tage voraus. Besonders profitieren die mittleren Breiten und Prognosen stärkerer Niederschläge, zeigt ein neuer Modelltest.
Tokyo (Japan). Wettermodelle starten mit einem möglichst genauen Bild der Atmosphäre. Temperatur, Feuchte, Wind und Luftdruck lassen sich beobachten und in die Berechnungen einbeziehen. Schwieriger ist es, Prozesse rund um Verdunstung und Kondensation abzubilden, obwohl die dabei frei werdende oder gebundene latente Wärme die atmosphärische Zirkulation prägt.
Wasserisotope liefern dazu eine zusätzliche Spur. Moleküle mit Deuterium oder Sauerstoff-18 verdunsten und kondensieren geringfügig anders als gewöhnliches Wasser. Ihr Verhältnis trägt deshalb Informationen über Verdunstung, Kondensation, Mischung und Transport einer Luftmasse.
Forscher der University of Colorado Boulder (CU Boulder) um Kinya Toride haben nun geprüft, ob diese Information Wetterprognosen messbar verbessert. Das Team nutzte Messungen des Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) auf den MetOp-Satelliten, deren größte Empfindlichkeit für die Isotopenanalyse in rund 4,2 Kilometern Höhe liegt. In das Isotope-incorporated Global Spectral Model (IsoGSM) speisten die Forscher neben Temperatur und spezifischer Feuchte auch das Verhältnis von Deuterium zu normalem Wasserstoff im Wasserdampf ein.
„In dieser Studie haben wir Satellitenbeobachtungen der Isotopenverhältnisse des Wasserdampfs mithilfe einer Technik namens Datenassimilation in ein Wettermodell integriert. Wir stellten fest, dass diese zusätzlichen Informationen unsere Schätzungen grundlegender atmosphärischer Zustände wie Wind, Temperatur und Wasserdampf verbesserten, was wiederum zu genaueren Wettervorhersagen führte“, erklärt Kinya Toride.
Damit der Effekt nicht einfach auf zusätzlichen Messpunkten beruhte, erhielt der Kontrolllauf Temperatur- und Feuchtedaten mit derselben räumlichen und zeitlichen Abdeckung, jedoch keine Isotopeninformation. Vor der Assimilation korrigierte das Team systematische Unterschiede zwischen Satellitenmessung und Modellklimatologie anhand von 4,5 Jahren IASI-Daten. Die Vorhersagen wurden für Februar und August 2017 ausgewertet.
Als Vergleich für Wind, Temperatur, Feuchte und geopotenzielle Höhe diente die Reanalyse ERA5. Niederschläge prüften die Forscher zusätzlich gegen den satellitengestützten Datensatz IMERG. So ließ sich untersuchen, ob Verbesserungen auch in einer unabhängigen Niederschlagsbeobachtung sichtbar werden.
Die zusätzliche Isotopeninformation verringerte die Vorhersagefehler für Wind, Temperatur, spezifische Feuchte und geopotenzielle Höhe über Vorlaufzeiten von null bis 120 Stunden. Die größten Gewinne traten in den mittleren Breiten auf, während sich in den Tropen bei den atmosphärischen Zustandsgrößen kaum Verbesserungen zeigten. Bei der geopotenziellen Höhe erreichte der relative Gewinn in Teilen der Auswertung mehr als zehn Prozent.
Auch beim Niederschlag war das Bild regional und nach Intensität verschieden. In den mittleren Breiten verbesserten sich die Prognosen für Sechs-Stunden-Mengen über drei Millimetern. Bei schwächerem Niederschlag blieb der Nutzen dagegen gering oder wurde teilweise negativ, und in den Tropen überwogen ebenfalls negative Effekte, auch wenn einzelne extreme Niederschlagsereignisse profitierten.
„Dies ist die erste Studie, die zeigt, dass Informationen über Wasserdampf-Isotope Wettervorhersagen unter Bedingungen verbessern können, die dem realen operationellen Vorhersagebetrieb nahekommen. Aber das lässt sich nicht über Nacht einführen. Wir haben noch immer nur sehr wenige Isotopendaten in Echtzeit, und heutige operationelle Vorhersagemodelle sind nicht darauf ausgelegt