Auf andere Art auffällig ist auch die Messung der Lufttemperatur auf dem Campus der Universität Hamburg. Schon beim Aufbau wurde die Vermutung geäußert, dass der Standort der APOLLO Station unter Umständen zu nah an der Lüftungsanlage des Audimax gelegen ist. So ist es, denn ganz klar sehen wir in den Messdaten die Ablufttemperatur aus dem Hörsaal. Von der Umgebungsluft bleibt da kaum mehr ein Signal übrig... Aber interessant, dass die Lüftung bereits in den frühen Morgenstunden angeschaltet wird, sodass zu Vorlesungsbeginn ausreichend Sauerstoff für die Studierenden vorhanden ist (in Zeiten von Präsenzlehre). Die Lüftung scheint also nicht in einen Corona-Pandemie-Modus gesetzt worden zu sein.

Neben der Erfüllung unserer eigenen Forschungsinteressen leisten die Messungen des FESST@HH auch einen Beitrag zum Lehrauftrag, den wir als Institut der Universität Hamburg besitzen. Ganz aktuell ist in dieser und der nächsten Woche der Forschungsnachwuchs intensiv und in Vollzeit an der Kampagne beteiligt.

Es findet eine Pandemiemaßnahmen kompatible Version der jährlichen studentischen Lehrexkursion (LEX) statt. Anstelle einer zweiwöchigen Reise mit gemeinsamen Experimenten zu meteorologischen Fragestellungen arbeiten die Master-Studierenden derzeit im "Home-Office" in Kleingruppen. Es finden täglich mehrere Videobesprechungen mit den Betreuern und den anderen Gruppen statt. Bereits Semester begleitend war die Beteiligung der Studierenden am APOLLO-Aufbau, der Stationsbetreuung und der Datengewinnung gefragt. Nun bearbeiten sie mit den gesammelten Messdaten eigene wissenschaftliche Fragestellung abseits von Cold Pools und Gewittern.
Zum einen steht die Thematik "Blaue Stadt" dabei im Fokus. Welchen Einfluss nehmen fließende Gewässer auf das Stadtklima, welchen stehende? Wie weit vom Ufer entfernt kann man diesen noch nachweisen? Hamburg eignet sich für diese Betrachtung besonders gut, da hier mit Elbe und Alster verschiedene Gewässertypen in derselben Stadt miteinander verglichen werden können.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Modellevaluierung, also die Abschätzung der Qualität des Wettervorhersagemodells COSMO-D2 des Deutschen Wetterdienstes. Die Vielzahl an vorliegenden Messdaten für das Stadtgebiet macht den Vergleich von Messungen und Prognosen insbesondere mit Blick auf die Statistik attraktiv. Eine Analyse der Messgröße Lufttemperatur und damit verbunden der städtische Wärmeinsel eignet sich dabei sehr gut.
Während dieser "Exkursion at home" lernen die Studierenden dabei insbesondere, wie man wichtige Handwerkzeuge in der Meteorologie nutzt: Die allgemeinen Vorgehensweisen bei der Beschaffung, Aufbereitung und Auswertung großer Datensätze werden praktisch umgesetzt, Stolpersteine mitgenommen und beseitigt. Am Ende steht die Aufbereitung der Ergebnisse auf einem wissenschaftlichen Poster, welches dann für alle Interessierten nachvollziehbar den Weg von der Fragestellung über die Messung bis zur Interpretation darlegt.

Im vergangenen Jahr konnte die Lehrexkursion noch "im Feld" stattfinden. Damals wurden in Vorbereitung für die eigentliche FESSTVaL Kampagne in Brandenburg bereits Testmessungen durchgeführt. Vor Ort am MOL-RAO in Lindenberg betrachteten die Studierenden des Master-Studiengangs Meteorologie zwei Wochen lang die Standortmöglichkeiten für den Aufbau der Messgeräte und erstellten erste Konzepte der Datenauswertung, die sie mit den gewonnenen Messungen überprüften. Insbesondere wurde der Frage nachgegangen, wie groß der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Temperaturmessungen der APOLLOs ist. Dazu zählten die Höhe des Sensors über Grund, die Beschaffenheit des Untergrunds der näheren Umgebung (Wiese, Sand, Asphalt), sowie die Art und Struktur des Umfelds (Wald, einzelne Bäume oder Hecken, Bebauung). Die Ergebnisse hieraus bildeten schließlich die Basis für die Standortentscheidungen des endgültigen Messnetzes, wie es für FESSTVaL 2021 aufgebaut werden soll (siehe dazu auch Newsletter 5). Natürlich basiert auch die Auswahl der derzeit instrumentierten Orte in Hamburg und Umgebung beim FESST@HH darauf.

Studierende beim Ausladen der Geräte & Testaufbau von APOLLOs am Messfeld des DWD in Lindenberg

Am Montagmittag hielten wir uns also bereit. Etwas früher als die Wettermodelle es prognostiziert hatten bildeten sich bereits gegen 15 Uhr erste mächtige Quellwolken, und kurz darauf ergossen sich auch kräftige Schauer im Südosten der Stadt. Um kurz nach 15 Uhr starteten wir dann die erste Radiosonde vom Dach des Geomatikums. Die Vorzeichen waren vielversprechend, registrierte doch unsere Messstation am Wettermast in Billwerder bereits 7 mm Niederschlag und einen raschen Temperatursturz um etwa 6 Grad innerhalb weniger Minuten. Westlich der Alster mussten wir uns also in unserer Warte nur noch ein wenig gedulden, um in absehbarer Zeit einen ebenso schönen Cold Pool-Durchgang zu erleben.... So dachten wir zumindest.

Alles vorbereitet & kurz vor dem Start

Wer nun am Montag im Stadtgebiet unterwegs war, wird eine der beiden Möglichkeiten selbst erlebt haben: Im Südosten der Stadt gewitterte es kurz und heftig, im restlichen Hamburg wurde der Himmel allenfalls etwas dunkler durch ein paar dickere Wolken. Die Gewitter verlagerten sich nach ihrer Entstehung durch den schwachen Wind kaum und lösten sich zügig wieder auf. Auch weitere neuentstandene Schauer machten scheinbar einen Bogen um uns und unseren Radiosonden-Startpunkt. So konnten wir bis auf eine leichte Brise keinen nennenswerten Cold Pool-Durchgang verzeichnen. Den zweiten Radiosondenaufstieg ließen wir konsequenterweise dann ausfallen.

Sehen wir es als Trockenübung an (im wahrsten Sinne des Wortes). Wir sind also jetzt bereit. Die nächsten Tage bleibt es hochsommerlich und Gewitter sind nicht ausgeschlossen. Für diejenigen, die Freibadtickets haben ist das natürlich weniger wünschenswert... Aber nachdem wir letztes Mal den Kürzeren gezogen haben, sei uns das vielleicht für Anfang nächster Woche doch gegönnt.

Das Team der Arbeitsgruppe Atmosphärenmessungen/Prozessmodellierung des Meteorologischen Institut der Uni Hamburg

Wir haben unser Experiment in erster Linie darauf ausgerichtet, das Phänomen sich rasch ausbreitender kalte Luft unterhalb regnender Wolken bei Gewittern gut messen zu können. Die Messgeräte laufen jedoch praktischerweise dauerhaft und erfassen somit auch andere Wetterlagen. Dadurch gewinnen wir mit unseren weit verteilten Stationen ebenso Informationen zu anderen Wettererscheinungen, wie zum Beispiel den Temperaturunterschieden zwischen Stadt, Stadtrand und Umland. Da das Thema Hitze derzeit in ganz Deutschland besonders aktuell ist, haben wir ein wenig in den bisher von uns gesammelten Messdaten gekramt. Im Folgenden zeigen wir, wie extrem diese Unterschiede sein können und wo in Hamburg man in den kommenden Tagen voraussichtlich den erholsamsten Schlaf bekommen wird.

Das wohl jedem aus eigener Erfahrung bekannte Merkmal des Klimas in der Stadt ist die Temperaturdifferenz zwischen Innenstadt und Randgebieten, die sogenannte "städtische Wärmeinsel" (englisch "urban heat island, kurz UHI). Am deutlichsten spürbar ist sie im Sommer nach Tagen, an denen der Himmel blau war und die Sonne den ganzen Tag die Oberflächen in der Stadt aufheizen konnte (Gebäudefassaden, Straßen). In den späten Abendstunden dann geben die künstlichen Oberflächen die gespeicherte Wärmeenergie wieder an die bodennahe Umgebungsluft ab, während in lockerer bebauten Gegenden am Stadtrand und auf dem Land die Luft nach Sonnenuntergang schneller abkühlen kann. Somit sind die Nächte im Stadtzentrum häufig deutlich wärmer als in den Außenbezirken. Üblicherweise sind das ein paar wenige Grad. Sind jedoch die Bedingungen für die Ausbildung der städtischen Wärmeinsel besonders günstig gewesen (klarer Himmel, wenig Wind), so werden hier mitunter Unterschiede von 10 Grad und mehr erreicht.

Zwar stehen die wirklich heißen Tage uns gerade noch bevor, allerdings hatten wir in Hamburg bereits im Juni ein paar Sommertage, an denen die Daten unserer Messinstrumente diesen Effekt schon erfasst haben. Die nachstehende Abbildung stellt die Lufttemperaturen in der Nacht vom 23. auf den 24. Juni um 4 Uhr morgens dar.

Die Temperaturdifferenz zwischen einer Apfelbaumplantage in Jork im Südwesten der Stadt und einem Balkon am Elbufer nahe des Fischmarkts betrug tatsächlich fast 10 Grad. Die abgestuften Farben der Messpunkte verdeutlichen außerdem über die Vielzahl unsere Stationen: je weiter man sich vom Stadtzentrum entfernt, desto kühler war es.

Wie unterschiedlich schnell die Luft am Abend abgekühlt hat und wie hartnäckig sich die Wärme insbesondere im Innenstadtbereich hält, erkennt man schön bei einem Blick auf den zeitlichen Verlauf der Lufttemperatur in der folgenden Abbildung:
Nachdem gegen 19 Uhr in Hamburg fast überall noch 23 bis 25 °C herrschten, wurde es in den Randbereichen rasch kühler und schon kurz nach Mitternacht wurde die 16 °C Marke unterschritten. Zu gleicher Zeit waren es an der Alster noch milde 20 °C. An Alster und Elbe kühlte es bis zum Sonnenaufgang nur noch wenig weiter ab, mit Tiefstwerten zwischen 15 und 17 °C, während im Süden und Osten bei 8 bis 12 °C eine Jacke auf dem Weg zur Arbeit am Morgen sicherlich eine gute Idee war.

In der Meteorologie verwendet man zur anschaulichen Beschreibung von Tagen, an denen bestimmte Lufttemperaturen über- bzw. unterschritwurden, gerne Kenntage (mehr dazu im Lexikon des DWD hier). So hört man häufig die Begriffe "Sommertag" bzw. "heißer Tag" (Tageshöchsttemperatur mindestens 25 bzw. 30 °C). Die Bezeichnung "Tropennacht" steht für eine Tiefsttemperatur nicht unterhalb 20 °C. Und solche Tropennächte treten im Stadtzentrum typischerweise häufiger als im Umland auf.

Erhöhten Nachttemperaturen sind dabei insbesondere aus gesundheitlicher Sicht von besonderer Bedeutung, da sie für die Stadtbewohner die Erholung im Schlaf während einer Hitzeperiode erschweren. Im Juni kühlte es glücklicherweise immer noch angenehm ab, die kommenden Nächte jedoch könnten wirklich mancherorts tropisch werden. Wir werden berichten...

Wer noch mehr wissen möchte zu den Ausprägungen des Stadtklimas in Hamburg, der wird dazu fündig unter anderem im Kapitel "Stadtklima in Hamburg" des Hamburger Klimaberichts aus 2017.

Wir hoffen, Eure Ventilatoren sind leistungsstark genug, die kommenden Sommer- und heißen Tage und eventuell Tropennächte erträglich zu machen. Ansonsten hilft wohl nur der Sprung ins kühle Nass - davon hat Hamburg ja aber glücklicherweise reichlich im Angebot.
Das Team der Arbeitsgruppe Atmosphärenmessungen/Prozessmodellierung des Meteorologischen Institut der Uni Hamburg

*) Field Experiment on Submesoscale STructures @ Meteorological Observatory Lindenberg = Feldexperiment zu kleinräumigen Strukturen am Meteorologischen Observatorium Lindenberg (die vollständige Abkürzung der Bezeichnung des DWD Standortes lautet übrigens MOL-RAO, mit dem Zusatz Richard-Aßmann Observatorium).

Heute wollen wir einen kleinen Einblick geben in das "Was wäre gewesen, wenn...".
Die Messkampagne FESST@HH ist ja eine recht spontan organisierte Sache gewesen, aus der Not (und dem Homeoffice) heraus entstanden. Eigentlich waren unsere Pläne für den Sommer andere: Von Anfang Juni bis Ende August sollte das meteorologische Feldexperiment FESSTVaL im brandenburgischen Lindenberg stattfinden. FESSTVaL ist die Abkürzung für “Field experiment on sub-mesoscale spatio-temporal variability in Lindenberg” (dt.: Feld-experiment zur räumlich-zeitlichen Variabilität unterhalb der Mesoskala in Lindenberg).

Als eine Kooperation mehrerer deutscher Forschungseinrichtungen (siehe Abbildung unten) ist dieses Experiment dazu gedacht, Wetterphänomene und zugehörige Prozesse auf einer Skala zwischen 500 m und 5 km mit hoher räumlicher Abdeckung zu erfassen. Besonders im Fokus liegen hierbei Windböen, Strukturen in den unteren Bereichen der Atmosphäre und Kaltluftzonen/Cold Pools.

Das Messgeräte-Repertoire hierfür umfasst dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Instrumente:

Basis bildet die umfangreiche bodengestützte Fernmesstechnik des Deutschen Wetterdienstes (DWD) am Meteorologischen Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium (MOL-RAO). Dazu kommen dann für den Zeitraum der Kampagne mehrere koordinierte Windprofilierungsstationen (sogenannte Doppler-LiDARe), mobile Systeme zur Messung der thermodynamischen Eigenschaften der Atmosphäre, ein Niederschlagsradar (baugleich zu dem X-Band-Radar, das im letzten Newsletter erwähnt wurde), Energiebilanzstationen, 20 automatische Wetterstationen, und eben auch mehr als 100 Stationen mit oberflächennahen Messungen von Lufttemperatur und -druck - die APOLLOs.

Darüber hinaus wird die Nützlichkeit eines meteorologischen Bürgermessnetzes während der Kampagne untersucht.

Gegeben den Einschränkungen im Forschungsalltag durch die Covid‐19‐Pandemie musste das Messexperiment allerdings auf das kommende Jahr verschoben werden. Und so wurde der Aufbau der mehr als 100 APOLLOs und WXTs statt in Landkreis Oder-Spree kurzerhand nach Hamburg verlegt. Die folgenden beiden Karten zeigen, wie der Plan für FESSTVaL aussah, und im nächsten Jahr auch umgesetzt werden soll, sowie die Ersatz-Variante in Hamburg.

Realisierte Standorte im Großraum Hamburg, Sommer 2020

Wie man unschwer erkennt, konnten wir die nahezu idealen ringförmigen Strukturen, wie sie in ländlichen Gebieten möglich sind, nicht wirklich auf das Hamburger Stadtgebiet projizieren. Ob das bei der Auswertung der Daten eine besondere Herausforderung für unseren Doktoranden Bastian sein wird, das werden wir sehen. Dennoch ist die Verteilung so vieler Stationen in der Stadt alleine schon ein großer Erfolg. Die Messdaten, die wir in diesem Sommer damit erhalten bieten eine gute Möglichkeit, Methoden zu testen und Hypothesen zu entwickelt. Außerdem erhalten wir so einen zweiten Datensatz mit hoffentlich vielen Gewittern und ColdPools. So wird es uns unverhoffter Weise ermöglicht, später auch einen Vergleich zwischen städtischem und ländlichem Gebiet zu ziehen. Mittlerweile sehen wir die Verschiebung von FESSTVaL und die damit verbundene Entstehung von FESST@HH also als positive Entwicklung und Chance.

Weitere Informationen zu FESSTVal 2021 gibt es übrigens unter www.fesstval.de.
Was in diesem Sommer nun unsere Kollegen in Lindenberg beim FESST@MOL gerade so treiben, und warum es auch ein FESST@Biergarten gibt, davon erzählen wir in einer späteren Ausgabe des Newsletters.
 

Der Regen über Norddeutschland zieht langsam ab. Ein schönes, trockenes Wochenende wünscht
Das Team der Arbeitsgruppe Atmosphärenmessungen/Prozessmodellierung des Meteorologischen Institut der Uni Hamburg

Die vergangenen Tage waren reich bestückt mit Gewittern. Genau diese liegen ja im Fokus unserer Forschung und wir freuen uns darüber, dass unsere Messstationen fleißig Daten hierzu aufgezeichnet haben. Die Auswertung davon ist in Arbeit und in den kommenden Ausgaben des Newsletters haben wir sicherlich Spannendes dazu zu berichten.
Fürs Erste gibt es hier jetzt einmal spektakuläre Fotos vom Geschehen am Himmel. Aufgenommen wurden sie von unserem Doktoranden Bastian Kirsch südöstlich von Hamburg am Samstagabend (27.06.) gegen 21 Uhr:

In der Sequenz der Bilder kann man eindrucksvoll das Phänomen erkennen, das wir bei dieser Kampagne untersuchen wollen: einen Cold Pool. Innerhalb weniger Minuten breitet sich die kalte Luft vom Bereich des Starkregens im Hintergrund zur Seite hin aus und hebt dabei die feucht-warme Luftmasse davor an, zu erkennen an den herunterhängenden Wolkenfetzen, der sogenannten "Shelf Cloud".

Unsere Wissenschaftlerherzen haben also oft höher geschlagen in der letzten Woche. Wir konnten uns häufig gar nicht satt sehen an den imposanten Regenschauern und Wolkenformationen. Ging es Euch auch so? Hoffentlich konntet Ihr die Spektakel jedoch immer aus dem Trockenen heraus beobachten und wurdet nicht unterwegs überrascht davon.
Falls doch, hier ein kleiner Tipp: das von unserer Arbeitsgruppe betriebene Regenradar auf dem Dach des Geomatikums liefert für (fast) das gesamte Hamburger Stadtgebiet eine hochaufgelöste Darstellung, wie der Regen aktuell über die Stadt zieht. Hier kann man nahezu Straßen genau erkennen, ob man Gefahr läuft in den nächsten Minuten nass zu werden. Unsere Webseite bietet sogar eine Kurzzeit-Prognose, in welchen Bereichen der Stadt es wahrscheinlich ist, innerhalb der nächsten 10-40 Minuten Regen abzubekommen.
Für den Starkregen am Samstag sah das Ganze zum Beispiel so aus:

Man beachte den Unterschied in der Auflösung zwischen der Darstellung innerhalb des Kreises (unser Radar, speziell für Hamburg) und außerhalb (das Radar des Deutschen Wetterdienstes, es deckt eine größere Region ab, ist dadurch aber nicht so detailreich).

Schaut also gerne vorbei auf wetterradar.uni-hamburg.de . Das kann in den nächsten Tagen schon Mal sehr nützlich werden, denn die werden für Juli nicht ganz so wünschenswert sommerlich, sondern grau-regnerisch (gilt zumindest für Hamburg). Aber wir sind ja mittlerweile alle Profis darin, Beschäftigungen zu Hause zu finden.

Dennoch ein schönes Wochenende wünschen wir!
Das Team der Arbeitsgruppe Atmosphärenmessungen/Prozessmodellierung des Meteorologischen Institut der Uni Hamburg

Der Aufbau unserer meteorologischen Messstationen ist erfolgreich abgeschlossen (und wir wischen uns erst einmal die Schweißperlen von der Stirn). Über die vergangenen Tage hinweg sah das Wachsen des Netzwerks im Stadtgebiet so aus:

Insgesamt 102 Stationen messen nun in Hamburg und Umland, was diesen Sommer über vor, während und nach Gewittern in der bodennahen Atmosphäre passiert.

Natürlich haben wir auch bereits ein wenig in die Daten geschaut. Ein Beispiel: Dargestellt in der Abbildung unten sind der Verlauf von Lufttemperatur (blau) und Luftdruck (rot) über einen Zeitraum von 11 Tagen (05.-16. Juni). An Tag 9, also letzte Woche Samstag, sieht man sehr schön, wie am Mittag während der Gewitter die Lufttemperatur deutlich abfällt und auch der Luftdruck starken Schwankungen unterliegt. Genau diese Effekte wollen wir mit den Messungen im Detail untersuchen.
 

Ein schönes Wochenende! Regen, Sonne, Wolken - diesmal ist für jeden etwas dabei.
Das Team der Arbeitsgruppe Atmosphärenmessungen/Prozessmodellierung des Meteorologischen Institut der Uni Hamburg