Unwetter schon am Geräuschpegel im Vorfeld erkennen

ETH-Forscher verwenden GPS-Daten, um heftige Sturmereignisse zu erkennen. Sie fanden heraus, dass starke Niederschläge und Gewitter das Signal-Rausch-Verhältnis beeinflussen. Das könnte Wettervorhersagen präziser machen und extreme Wetterereignisse früher erkennen lassen.

Am 13. Juli 2021 zog ein außergewöhnlich heftiges Unwetter über Zürich. Benedikt Soja, Professor für Weltraumgeodäsie an der ETH Zürich, sah die Verwüstungen am nächsten Morgen mit eigenen Augen: umgestürzte Bäume, abgedeckte Dächer und beschädigte Infrastruktur. Auf dem Campus Hönggerberg zeichnet eine Messstation kontinuierlich die Signale verschiedener Satellitensysteme auf.

Soja und sein Team stellten fest, dass während des Sturms das Signal-Rausch-Verhältnis in den GPS-Daten signifikant abnahm. Denn das  unvermeidbare Hintergrundrauschen beeinträchtigen die Qualität der Daten stark. Diese Beobachtung führte zu der Erkenntnis, dass extreme Wetterereignisse die GPS-Signalqualität beeinflussen.

Signal-Rausch-Verhältnis sinkt

In der Studie, veröffentlicht in "Geophysical Research Letters", analysierten die Forschenden die Daten zweier heftiger Stürme im Sommer 2021. Dabei zeigte sich, dass das Signal-Rausch-Verhältnis während der Unwetter stark sank und nach dem Durchzug der Gewitter wieder normal war. Ein Vergleich mit Radardaten der Universität Bern bestätigte den Zusammenhang zwischen den Unwettern und der GPS-Signalqualität.

Die Forscher vermuten, dass starker Niederschlag, sei es Regen oder Hagel, für Zunahme des Hintergrundrauschens verantwortlich ist. Welche Form von Niederschlag den größeren Einfluss hat, wollen sie in Zukunft untersuchen. Die Ergebnisse der Studie stellen einen Durchbruch in der Weltraumgeodäsie dar, da sie zeigen, dass GPS-Daten empfindlich genug sind, um atmosphärische Störungen zu erfassen.

Die Weltraumgeodäsie, ein Fachgebiet der Geodäsie, nutzt Technologien im Weltraum, um präzise Informationen über die Erde zu erhalten. GPS spielt dabei eine entscheidende Rolle, indem es hochgenaue Positionsbestimmungen ermöglicht, die in vielen Anwendungen wie Navigation, Vermessung und Geoinformationssystemen genutzt werden.

Diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die meteorologische Nutzung von Satellitennavigationsdaten. Weitere Messungen könnten die Vorhersage von Niederschlägen in Wettermodellen verbessern. Noch müssen Unwetter die Messstationen direkt überqueren, um erkannt zu werden. Ein dichtes Netz an Messstationen könnte jedoch Extremwetterereignisse genau und kostengünstig erfassen und deren Zugrichtung und Geschwindigkeit bestimmen.

Stark vernetztes Früherkennungssystem

Ein solches Früherkennungssystem könnte in Zukunft beispielsweise den Flugbetrieb sicherer machen. Mit einem dichten Netz von GPS-Stationen rund um Flughäfen ließen sich Unwetter in Echtzeit lokalisieren und entsprechende Warnungen ausgeben. Die Wissenschaftler planen deswegen, ihre Arbeit nicht nur innerhalb der Schweiz, sondern auch auf europäischer Ebene auszuweiten.