Wetterdrohnen – Meteorologische Daten aus der Grundschicht

In der untersten Schicht der Atmosphäre, der sogenannten Grenzschicht, findet der größte Teil unseres Wetters statt. Die alltäglichen Wetterbedingungen hängen von einer Vielzahl von Variablen und Faktoren ab, die nur schwer erfasst werden können. Es werden also nur unzureichend Daten in Wettermodelle eingespeist, um vorhersagen zu können, wie genau sich das Wetter tatsächlich entwickelt.

Wetterballons und Wetterstationen

Traditionell werden Wetterdaten mit Wetterballons und Wetterstationen erfasst. Wetterstationen sind dabei mit ihrem statischen Standort und der Nähe zur Erdoberfläche in der Messung jedoch stark eingeschränkt. Sie sind zu erdgebunden und können keine Messungen in den oberen Bereichen der Grenzschicht durchführen.

Wetterballons können hingegen viel höher aufsteigen, haben aber den Nachteil, dass sie nicht kontrolliert werden können. Sie werden vom Wind getragen, können nicht zu ihrem Startpunkt zurückkehren und decken möglicherweise den falschen Bereich ab. Infolgedessen ist es unmöglich wichtige Wetterdaten in Form einer vertikalen Säule bzw. durch vertikale Vermessung der Atomsphäre zu erfassen.

Satelliten

Eine weitere Quelle zur Erfassung von Wetterdaten können Satelliten sein. Sie können Daten über Wasserdampf und Wolkenbildung erhalten, bieten sich aber nicht für die Messung von Temperatur, Feuchtigkeit oder Wind an. Satelliten Daten werden oft nur vereinzelt gesammelt und können in nur unzureichender Qualität und Auflösung in Wettermodelle eingespeist werden. Ähnliche Einschränkungen weisen auch Starrflügler-Wetterdrohnen auf. Sie erreichen zwar eine große Höhe und bieten eine große Reichweite, sind aber extrem teuer im Betrieb.

Obwohl Wettersatelliten eine entscheidende Rolle bei der Erfassung von Beobachtungen spielen und Wettervorhersagen immens verbessert haben, können sie keine genauen Windprofile von Windfeldern in der kalten und niedrigeren Atmosphäre liefern. Das ist dennoch für industrielle Anwendungen und die Initialisierung von Modellen unerlässlich. Darüber hinaus stellen Wolken ein sichtbares Hindernis dar, da sie verhindern, dass Satelliten Messungen unter ihnen erfassen. Daher haben Satelliten eine begrenzte Abdeckung der planetaren Grenzschicht, was zu einer Beobachtungsdatenlücke führt.

Radiosonden

Eine Lösung zur Überwindung dieser Datenlücke ist die Verwendung von Radiosonden. Viele nationale meteorologische und hydrologische Dienste (NMHS) verwenden Radiosonden, aber es gibt mehrere Gründe, warum sie nicht die beste Lösung sind: Die Herstellung der Ausrüstung kann teuer sein; sie sind mit Helium gefüllt, das zu einer knappen natürlichen Ressource wird; und sie gehen häufig nach dem Einsatz verloren, da der Wind sie bis zu 250 km von ihrer Startposition entfernt trägt. Die gesammelten Daten werden jedoch immer noch als lokal betrachtet.

Flugzeuge

Auch Flugzeuge werden für die Sammlung von Wetterdaten verwendet. Sie kommen häufig bei Sturmereignissen zum Einsatz, sind jedoch auch recht teuer im Betrieb. Zudem bringt das Entsenden eines Piloten oder einer Pilotin in einen Sturm ein großes Risiko mit sich. Ein wesentlich geringeres Risiko für Menschenleben bietet da eine Wetterdrohne.

Drohnen

Drohnen haben diese Einschränkung nicht und können mit einer Genehmigung problemlos in große Höhen über etwas mehr als 1 Kilometer bzw. bis zu 3500 Fuss geflogen werden. Wetterdrohnen lassen sich so leicht steuern, dass sie direkt in den Wind oder sogar in Sturm fliegen können, um Daten für einen bestimmten Ort in einer bestimmten Höhe zu erhalten. Auch kehren Drohnen an ihren Startpunkt zurück. Das macht es möglich, viel teurere und ausgefeiltere Sensoren und Geräte an einer Wetterdrohne zu verwenden.

Was sind Wetterdrohnen?

Wetterdrohnen sind speziell entwickelte Drohnen, die in der Wetterdatenerhebung ihren Einsatz finden. Sie fliegen in der untersten Schicht der Erdatmosphäre, der sogenannten Grenzschicht. Mit speziellen Sensoren ausgestattet können sie Informationen über Temperatur, Feuchtigkeit und Wind in der Atmosphäre sammeln. Die gesammelten Daten tragen dazu bei, Wettervorhersagemodelle signifikant zu verbessern.

Vorteile von Wetterdrohnen: Was können sie bewirken?

Die Verwendung von Drohnen in der Wetterdatenerhebung bietet einen großen Fortschritt gegenüber herkömmlichen Methoden der Datenerfassung. Wetterdrohnen sind wendiger, können plötzlichen Windveränderungen standhalten und sind so besser gerüstet, um vertikale Daten zu erfassen. Auch Messungen in der Nähe von Gebäuden und Bauwerken in städtischen Umgebungen oder Offshore-Umgebungen können mit Hilfe von Wetterdrohnen vorgenommen werden. Die Genauigkeit von Wettervorhersagemodellen wird durch das Einspeisen der Daten in Echtzeit so erheblich verbessert. Mit diesen genaueren Modellen wird es Meteorologen möglich, wesentlich präzisere, hyperlokale Vorhersagen im Nowcasting Bereich zu liefern. Besonders entscheidend ist der Einsatz der genauen Vorhersagen für den Flugbetrieb an Flughäfen oder um frühzeitig vor Tornados oder Hurrikanen warnen zu können. Zudem werden die Daten aus der Grenzschicht zur Langzeitdatenerfassung für die Erforschung des Klimawandels und für eine Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt.

Hyperlokale Wettervorhersagen für Nebel, Hagel und Gewitter

Messungen von Wetterdrohnen können helfen, aktuelle Wettermodelle zu bewerten und Vorhersagemodelle mit den eingespeisten Echtzeitdaten zu analysieren und zu korrigieren. Das gelingt nur mit mehr Daten aus mehr Ebenen der Grenzschicht des gesamten Landes und unter Umständen auch der Welt.

Die Kombination der Wetterdrohnen-Daten mit Daten aus lokalen Wettermodellen führt zu genaueren Wettervorhersagen für die lokale Wetterberichterstattung.

Diese hyperlokale Vorhersage kann vor allem an Flughäfen entscheidend sein. Mit Hilfe genauester Wetterdaten können Start und Landung aller Flüge besser geplant werden. So wird beispielsweise genügend Zeit einberechnet, um vor einem Start die Flugzeugoberflächen enteisen zu können.

Vorbereitet auf Sturm

Eine zuverlässige Wettervorhersage ist besonders dann wichtig, wenn es darum geht, die Auswirkungen auf Leben und Eigentum zu verringern. Wenn sich Stürme entwickeln ist ein präzises Wettermodell besonders wichtig.

In für Tornados gefährdeten Regionen beträgt die aktuelle durchschnittliche Vorwarnzeit etwa 16 Minuten. Bewohner werden also nur 16 Minuten im Voraus gewarnt, bevor ein Tornado ihren Ort erreicht. So fehlt oft die Zeit um zu evakuieren, in Deckung zu gehen oder das Eigentum zu schützen. Dank Wetterdrohnen kann die Reaktionszeit für Warnungen auf bis zu einer Stunde verlängert werden.

Ebenso schwer vorherzusagen sind Hurrikans. Sie können unerwartete Wege einschlagen, sich unvorhersehbar verstärken oder auflösen. Mit der Fähigkeit der Drohnen innerhalb eines aktiven Sturms Daten zu sammeln, wird es Meteorologen und Wetterwissenschaftlern ermöglicht eine bessere Vorhersage über die Verlaufspfade oder die Intensität des Hurrikans zu treffen. Folglich können bessere Entscheidungen in Bezug auf Evakuierungen, Maßnahmen zur Verhütung von Sturmfluten und den Einsatz von Helferteams getroffen werden.

Wetterdrohnen können die Daten über Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck, Windgeschwindigkeit und -richtung auf verschiedene Weise sammeln. Ein Weg führt dabei über Temperatur-, Feuchtigkeits- oder Luftdrucksensoren, die direkt an die Drohne angebracht sind.

Eine andere Möglichkeit zur Datensammlung bieten sogenannten Dropsonden. Mit einem Fallschirm ausgestattet werden sie aus großer Höhe fallen gelassen und steigen vertikal durch die Grenzschicht ab. So sammeln die Wetterdrohnen Daten bis ganz nach unten.

Auch die visuelle Bildgebung, einschliesslich Fotos und Videos, bietet eine Möglichkeit Daten aus der Grenzschicht zu sammeln.

Meteodrones – Wetterdrohnen von Meteomatics

Meteodrones – die mobile Wetterstation der Zukunft

Viele existierende Wettermodelle haben Probleme, Phänomene wie Nebel, Hochnebel und Gewitter richtig vorherzusagen. Wetterphänomene sind zum einen von lokalen Gegebenheiten geprägt und zum anderen sind gerade in den unteren Luftschichten (bis ca. 2 km über Grund) praktisch keine Daten verfügbar. Um diese Daten zukünftig verfügbar zu machen, wurde die Meteodrone – eine Wetterdrohne – entwickelt. Die Meteodrone ist darauf ausgelegt innerhalb dieser Höhe zu fliegen und während des Flugs Wetterdaten zur Verbesserung von Wettervorhersagen zu erheben.

Innovative Messtechnik aus der Schweiz

Getreu dem Motto “höchste Qualität aus der Schweiz” haben wir uns mit unseren Meteodrones voll und ganz der Entwicklung einer einzigartigen Messtechnik für genaueste Wetterdaten verschrieben.

Meteodrones sind Swissness: von der Idee bis zum Produkt entwickeln wir unsere Wetterdrohnen komplett selbständig und inhouse in der Schweiz in St. Gallen. Ein top ausgebildetes, hoch motiviertes und technologie affines Team entwickelt, designt und produziert die Drohnen nach schweizer Präzision und schafft mit unseren Meteodrones eine Technologie die unseren Innovationsgeist unterstreicht.

Vorteile: Was macht Meteodrones als Wetterdrohnen so wichtig?

Meteomatics Meteodrones bieten globalen Wettervorhersagen eine zuverlässige und wissenschaftlich fundierte Methode zur Erfassung von Wetterbeobachtungen. Meteodronen wurden speziell für das Sammeln von Wetterbeobachtungen aus der unteren und mittleren Atmosphäre entwickelt.

Meteodrones sind nachhaltig

Meteodrones dienen als nachhaltigere und genauere Methode zum Sammeln der Atmosphäre-Daten, da sie beliebig oft eingesetzt und wiederverwendet werden können. Unsere Drohnen ermöglichen es zudem bei vielen Wetterbedingungen zu fliegen und so viele lokale Wetterphänomene zu erfassen.

Meteodrones liefern hyperlokale Messungen für beliebige Orte

Wir bezeichnen unsere Wetterdrohnen als Zukunft der Radiosonde. Eine Meteodrone dient als eine Art mobile Wetterstation und bietet viele Vorteile gegenüber der klassischen Radiosonde. Während eine Sonde durch ihre Flugrichtung eher unkontrolliert Messungen vornimmt, können unsere Wetterdrohnen manuell vor Ort oder ferngesteuert werden. Dabei können die Drohnen an Ort und Stelle fliegen oder zu entlegenen Orten entsandt werden, an denen keine Wetterstationen liegen oder keine Messungen möglich sind. Es erfolgen hyperlokale Messungen für einen bestimmten Ort – selbst nachts.

Nächtliche Meteodrones-Flüge ermöglichen präzise Wettervorhersagen

Auch in nächtlichen Flügen sammelt die Drohne Wetterdaten aus der Atmosphäre bis zu 6 Kilometer über Grund. Hier ist der Luftraum nahezu frei ist und muss weniger abgesichert werden. Mit unseren Drohnen werden die Daten zuverlässig erfasst, in ein Wettermodell eingespeist und über Nacht berechnet. Die lokalen Wetterdaten werden so regelmäßig in die Prognosen einbezogen und liefern präzise Wettervorhersagen für den Folgetag.

Meteodrones liefern zuverlässige und kontinuierliche Wetterdaten

Darüber hinaus sind sie wirklich lokal, da das Meteodrone-System während der gesamten Flugdauer am selben Ort bleibt. Kontinuierliche zeitliche Profile sind leicht verfügbar, da die Meteodrones-Batterien ausgetauscht werden könnenund ein neuer Flug sofort gestartet werden kann.

Mit unseren Meteodrones erreichen wir mittlerweile eine Höhe von 6000 Metern. Durch die kontinuierliche Verbesserung der Flugzelle, der Reduzierung des Gewichts der Komponenten und durch den Einsatz modernster Batterietechnologie bieten wir heute zwei leistungsstarke Systeme, die mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften den Einsatz für unterschiedliche Anwendungen ermöglichen.

Drohnenmodelle

Die Meteodrone MM-641/SSE ist die kleine, leichtere Drohne, die bei höheren Geschwindigkeiten fliegen kann. Die Meteodrone MM-670 dagegen ist eher für die kommerzielle Nutzung oder für Aufklärungsmissionen geeignet und kann mit ihren Instrumenten bei Bedarf an die Anforderung des Einsatzzweckes angepasst werden.

Sensoren für Messungen:

• Temperatur
• Druck
• Relative Luftfeuchtigkeit
• Taupunkt
• Windgeschwindigkeit und -richtung

Transportkoffer

Alle unsere Drohnenmodelle werden in einem IP67-robusten Transportkoffer geliefert und enthalten neben der Drohne und der Bodenstation das Bodenstationsladegerät, Werkzeuge, sowie Ersatzakkus.

Bodenstation (Controller)

Jede Drohne ist mit einer Bodenstation ausgestattet, die eine Telemetrieverbindung zur Drohne ermöglicht. Alle flugrelevanten Parameter werden in Echtzeit auf dem Display der Bodenstation angezeigt. So wird eine direkte Überwachung des Fluges gewährleistet und der Pilot behält die Wetterdrohne jederzeit im Blick. Auf dem Display werden:

• relative Position
• Höhe und Richtung
  
• Energieverbrauch
  
• Aktuelle Wetterlage
• Windbedingungen
  

Zudem sammelt die Bodenstation die wichtigsten Parameter auf einer SD-Karte. Alle gesammelten Wetterdaten werden auf einer SD-Karte in der Drohne selbst gespeichert.

Notrettungssystem (ERS)

Die Meteodrone MM-670 ist zusätzlich mit einem Notrettungssystem (ERS) ausgestattet, das für das Fliegen unter BVLOS-Bedingungen erforderlich ist und vom Boden gesteuert werden kann. Fallschirmsysteme schützen Sachen und Personen, sowie die Drohne selbst, vor Schaden im Falle eines unvorhergesehenen Ereignisses. Solch ein Ereignis könnte zum Beispiel ein Motorschaden oder Fremdeinwirkung sein.

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Meteodrones als One-Click-Sounding System

Wir haben die Benutzerfreundlichkeit der Meteodrones verbessert, indem wir die Handhabung von Start, Flug und Landung automatisiert und erleichtert haben. Hierfür haben wir eine Funktion auf der mobilen Bodenkontrollstation integriert, die es mit einem Klick ermöglicht, die Meteodrone aufsteigen zu lassen. Während des Aufstieges misst die Wetterdrohne Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und -richtung. Die Messdaten werden auf die Bodenkontrollstation übertragen, analysiert und visualisiert.

Seit dem Start der operationellen Drohnenflüge im Jahr 2016 musste jeder Flug der Meteodrone von einem Piloten kontrolliert werden. Ein wichtiger Schritt zum landesweiten Drohneneinsatz war die Entwicklung der Meteobase. Sie ermöglicht autonome Drohnenmessungen und ist gleichzeitig das „Zuhause“ der Drohne, von der sie abhebt, landet und ihre Batterie geladen wird.

Als Bodenstation dient sie zur örtlichen Unterstützung zum Betrieb der Meteodrones. Sie gilt als Kommunikationselement zwischen dem Piloten und der Drohne oder arbeitet als Steuerelement für autonome Flüge der Drohne. Die Meteobase besteht aus einem zentralen Computer, der verschiedenste Aufgaben zu Betrieb, Steuerung und Wartung der Drohne und Überwachung und Protokollierung der Wetterparameter am Standort übernimmt.

Zudem umfasst sie die komplette Start- und Landeplattform inklusive Ladestation, Funkstrecke und Bodenstation sowie Kameras zur Überwachung der direkten Umgebung der Box. Die Kameras ermöglichen, die korrekte Landung zu überprüfen und den allgemeinen Zustand der Wetterdrohne visuell zu überprüfen. Darüber hinaus beinhaltet die Station eine interne Klimatisierung (Heizung, Klimaanlage), um optimale klimatische Bedingungen für die Meteodrones, ihre elektrischen Komponenten und die Batterien zu gewährleisten. Der Sockel ist wasser- und schneefest. Regenrinnen sorgen für das Abfließen von Regenwasser. Einmal am Ort installiert verbleibt die Meteobase dauerhaft oder bis zum Ende des Einsatzes.

Im Jahr 2017 wurde der erste Prototyp der Meteobase entwickelt und unter realen Bedingungen getestet. Mit Hilfe der Meteobase kann die Erfassung von Wetterdaten in Zukunft ausgedehnt werden.

Mit der Meteobase streben wir landesweite Drohneneinsätze an und möchten mit autonomen Drohnenmissionen dazu beitragen, Wetterprognosen erheblich zu präzisieren. Unsere Vision ist ein Netz von Meteobases zur Automatisierung und Fernsteuerung der Wetterdrohnen. Die Meteobase ermöglicht schließlich die gleichzeitige Fernwartung von bis zu 10 verschiedenen Drohnensystemen durch nur einen Piloten: jederzeit, von jedem Ort.

Lesen Sie hier einen Artikel zum Roll-out Projekt von autonomen Drohnensystemen mit der Meteobase und den Meteodrones in der Schweiz.

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Zeitliche Profile ausgewählter Wetterparameter führen zu einem tieferen Verständnis atmosphärischer Prozesse.

Meteomatics bietet eine effizientere, robustere und wiederverwendbare Alternative zu Radiosonden und ermöglicht es Wetterdiensten, ihre eigenen Modelle mit Daten zu initialisieren, indem sie die von einer Drohne gesammelten Daten aus dem Flug durch die mittlere und niedrige Atmosphäre einbeziehen.

Die rohen Wetterdaten werden mit einer Datenrate von 4 – 20 Hz, also mit 4 – 20 Messungen pro Sekunde, aufgenommen und auf der integrierten SD-Karte gespeichert. Im Anschluss an einen Flug mit einer Meteodrone werden die Wetterdaten ausgewertet und prozessiert. Dies umfasst das Speichern in verschiedenen Formaten, die es Meteorologen ermöglichen, die Daten ganz einfach in ihre jeweiligen Wettermodelle einzuspeisen. Sogar zeitlich aufgelöste Darstellungen sind möglich. Sobald die zusätzlichen Daten in das Modell eingespeist wurden, beeinflussen sie die Qualität der Wettervorhersage in einem Radius von bis zu 50 km vom Startpunkt des Messflugs. Solche Messungen verbessern die Vorhersagen der u. a. für die Luftfahrt so wichtigen Phänomene wie Nebel, Gewitter, Icing und Hagel nachweislich enorm.

Mit unseren Meteodrones fliegen wir operativ in der Schweiz, sammeln Daten, gewinnen meteorologische Erkenntnisse und verbessern unser hochauflösendes regionales SWISSk1-Wettermodell. Die folgenden Bilder (rechts) zeigen einen interessanten Fall zu nächtlichen meteorologischen Bedingungen. Die weißen Spuren zeigen die Flugspuren an; die y-achse zeigt die Höhe und die x-achse zeigt die Zeit. Die niedrigen Temperaturen, die hohe Luftfeuchtigkeit und der schwache Wind in Bodennähe weisen auf Nebel bis in 1.000 m Höhe hin.

Zwischen 2.500 m und 3.000 m ist ein starker nächtlicher Strahl sichtbar, der eine trockene Luftschicht in die Atmosphäre bringt. In höheren Lagen ist der Wind ziemlich stark, bis zu ~40 Knoten.

Die Vorteile des Einsatzes von Drohnen für Vermessung, Überwachung, Kartierung und verbesserte Wetterprognosen liegen auf der Hand.

Drohnenbilder von oben ermöglichen die Erstellung von Kartierungsprodukten, z. B. durch die Konstruktion von Orthofotos, Volumenmessungen und 3D-Modellen von Websites. Auf diese Weise kann eine genaue Überwachung in verschiedenen Bereichen ermöglicht werden wie Bauwesen, Bergbau, Infrastrukturen, Umwelt, GIS-Vermessung und Landwirtschaft. Darüber hinaus können von Drohnen gesammelte Daten Wettervorhersagen verfeinern, wodurch wichtige Entscheidungen effizienter getroffen werden können.

Einsatz an verschiedenen Standorten

Neben Testflügen zur Weiterentwicklung unserer Wetterdronen wurde die Funktionalität bei verschiedenen Projekten bewiesen. Unter anderem wurden die Meteodrones eingesetzt, um die Atmosphäre an verschiedenen Standorten zu erforschen.

Standort USA

Um Tornados früher und genauer voraussagen zu können, wurden die Meteodrones im November 2016 und im Mai 2017 in Oklahoma, USA eingesetzt. In mehr als 100 Sondierungsflügen sind die Drohnen dabei fast 140 km geflogen. Während der Flüge wurden wichtige Informationen aus der Grundschicht erhoben. Die erhobenen Wetterdaten wurden anschliessend in ein Modell integriert, um so der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) präzisere Vorhersagen von Tornados zu ermöglichen.

Standort Schweiz

Um die exakte räumliche Schadstoffausbreitung im Misox zu bestimmen, unterstützten die Wetterdrohnen bereits ein Vorhaben des Amtes für Natur und Umwelt Graubünden. Bei Messungen am 6. und 7. Dezember 2016 ging es dabei unter anderem um die Höhenabhängigkeit der Schadstoffbelastung.

Berichte und Studien

Wir haben Validierungsstudien in Partnerschaft mit NOAA und MeteoSwiss durchgeführt, die den Wert der Meteodrones-Beobachtungsdaten bei der Erhöhung der Genauigkeit der Vorhersage lokaler Wetterphänomene bewiesen haben.

Mehr zu Validierungsstudien

Haben Sie sich für den Einsatz einer Wetterdrohne entschieden, bieten wir Ihnen mit unseren Meteodrones ein für Ihre Einsatzzwecke optimiertes System, das allen Wetterbedingungen standhält.

Richten Sie eine Anfrage an uns und erhalten Sie ein auf Sie zugeschnittenes Angebot: egal für welchen Einsatz.

Je nach Anforderung können Sie neben dem Produkt mit seinem Zubehör unsere Expertise in Anspruch nehmen. Gemeinsam mit Ihnen machen wir einen Testflug, schulen Sie mit einem Flugtraining im Umgang mit der Drohne oder übernehmen für Sie den Drohnen-Flug in einem gemeinsamen Projekt. Wir konnten unsere Meteodrones so bereits in vielen Bereichen einsetzen.

Meteodronen-Demonstration

Wenn Sie an einer Demonstration in Europa interessiert sind, lesen Sie den folgenden Artikel, um mehr über den Erhalt einer Fluggenehmigung zu erfahren.

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