Das CONTRAILS Projekt zielt darauf ab, moderne vertrauenswürdige KI-Methoden und physikalische Modelle zu entwickeln und miteinander zu verbinden, um die Identifikation, Charakterisierung, Datenassimilation und Vorhersage von Kondensstreifen zu verbessern. Es soll dazu ein besseres Verständnis des gesamten physikalischen Prozesses, der ihrer Entstehung zugrunde liegt, erreicht werden.

CONTRAILS Projekt – KI für Parametrisierung, Datenassimilation und Vorhersage

Im Hinblick auf Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt werden die Ergebnisse dieses Projekts Instrumente zur Überwachung der Auswirkungen von Kondensstreifen auf das Klima und zur Information über künftige experimentelle Tests zur Optimierung von Flugbahnen durch die Verhinderung ihrer Entstehung liefern.

Ziel des Teil-Projekts beim DWD ist es, die Assimilation und Vorhersage von Kondensstreifen- und Zirrusbeobachtungen im Rahmen der Numerischen Wettervorhersage (NWV) zu entwickeln. Wir nutzen das ICON-Modell und dessen Ensemble-variationelle Datenassimilation. Das Projekt wird für die Hauptkunden des DWD direkt relevant sein.

Abb. 1: Kondensstreifenbeobachtungen mit verschiedenen Sky Imagern ermöglichen Stereoskopie (Quelle: CONTRAILS-Konsortium)

Das Teilprojekt leistet einen Beitrag zu den drei Aufgaben “KI für die Identifizierung und dynamische Vorhersage von Kondensstreifen”, “KI und physikalische Modelle für die Analyse von Kondensstreifen” und “Modelle, Datenassimilation und Algorithmenvalidierung”. Die Identifikationsaufgabe zielt darauf ab, Bilder von bodengestützten Kameras und Satelliten im sichtbaren oder infraroten Bereich mit KI-Algorithmen zu verarbeiten, um Kondensstreifen zu identifizieren und ihre Entwicklung vorherzusagen. Es soll ein modularer Vorwärtsoperator für Kondensstreifen- und Zirrusbeobachtungen entwickelt werden, der auf einer Kombination aus (a) neuen KI-Algorithmen, (b) verbesserten physikalischen Parametrisierungen (auf der Grundlage klassischer und neuer neuronaler Netz-Ansätze) und
(c) Strahlungstransferkomponenten basiert. Die Operatoren werden in das Vorhersagesystem integriert und an Fallstudien getestet.

Projektleitung: Dr. Stefanie Hollborn, Prof. Dr. Roland Potthast

Bilaterale deutsch-französische Kooperation

Das CONTRAILS Konsortium besteht in Deutschland aus dem Deutschen Wetterdienst (DWD) sowie auf der französischen Seite der THALES Group, dem Forschungsinstitut LATMOS sowie Reuniwatt. Die Partner bringen ihre spezifischen Kompetenzen ein in der Vorhersage der atmosphärischen Entwicklung und Prozesse (DWD), der Luftfahrt und dem Einsatz von Methoden der künstlichen Intelligenz (THALES), der Fernerkundung und Klimawissenschaft (LATMOS) sowie der Entwicklung und dem Betrieb von Kameras zur Atmosphärenbeobachtung und ihrer Verknüpfung mit numerischen Vorhersagemethoden (Reuniwatt).

Abb. 2: Das CONTRAILS-Konsortium, bestehend aus DWD, der THALES Group, LATMOS und Reuniwatt (CONTRAILS-Konsortium)

Marktperspektive und Produktversprechen
Der Deutsche Wetterdienst versorgt täglich Millionen von Nutzern und Anwendern mit Vorhersagen der numerischen Wettervorhersage (NWV) von der globalen bis zur hochaufgelösten regionalen Skala und im Bereich Stunden bis Wochen, mit Schlüsselkunden im Luftfahrtbereich ebenso wie bei erneuerbaren Energien und für Klima-Anwendungen. THALES und LATMOS sind stark engagiert im Bereich des Luftverkehrs, mit Produkten und Anwendungen auf der ganzen Wertschöpfungskette Luftfahrt. Reuniwatt liefert Echtzeitbilder von All-Sky Kameras u.a. im Bereich von Flughäfen und Photovoltaik-Anlagen mit Produkten und Anwendungen der Echtzeit-Steuerung von Prozessen, Anlagen und Produkten.

Herausforderung und Innovation
Die Beobachtung, Modellierung und Vorhersage von Kondensstreifen und hohen Wolken, ihrer Interaktion mit dem Luftverkehr und ihrer unmittelbaren und langfristigen Klima-Wirkung ist ein wichtiger und herausfordernder Bereich der Atmosphärenwissenschaft. Mit den auf modernen Verfahren der Ensemble-Datenassimilation beruhenden globalen bis regionalen Vorhersagesystemen können neue Verfahren der künstlichen Intelligenz und neue Beobachtungssysteme nahtlos in den Analyse und Vorhersage-Prozess integriert werden. Das Konsortium betritt in diesem Bereich Neuland und verspricht sich grundlegende wissenschaftliche Fortschritte mit unmittelbaren Auswirkungen für die Vorhersagesysteme und Anwendungen.

Use Cases
Neue bodenbasierte all-sky Kamera-Beobachtungen in Kombination mit neuen Satelliten-basierten Wolkenbeobachtungen im infraroten und sichtbaren Bereich werden in Echtzeit mit Methoden der künstlichen Intelligenz automatisch auf die Sichtbarkeit von Kondensstreifen und hohen Wolken ausgewertet. Die Ergebnisse gehen automatisiert in den Beobachtungspool für die Analysen und Vorhersagen der numerischen Wettervorhersage (NWV) ein, liefern dort eine deutlich verbesserte Entstehungswahrscheinlichkeit von Kondensstreifen und den aus diesen entstehenden klima-relevanten Wolken, welche in Echtzeit in kundenorientierte Produkte zur Flugplanung und Flugsteuerung für Flughafenbetreiber, Fluglinien und bis zu den Piloten der Fluglinien eingehen zur Netzwerkplanung ebenso wie zur konkreten Planung der nächsten Flugroute.

Laufzeit
März 2022 – Mai 2025

Budget
Gesamtmittel: 4 Millionen € (Summe aller Partner)
Fördersumme: 2.7 Millionen € (Summe aller Partner)

Lesen Sie den Artikel im Original: https://www.dwd.de/DE/forschung/projekte/contrails/contrails_node.html
Titelbild: NASA Jet Propulsion Laboratory

Über Reuniwatt (www.reuniwatt.com)

Reuniwatt ist ein wichtiger Akteur im Bereich der Bewertung und Vorhersage von Sonneneinstrahlung und Wolkendecke, sowie Solar- und Windstromprognosen. Auf der Grundlage solider Forschungs- und Entwicklungsarbeit bietet das Unternehmen zuverlässige Produkte und Dienstleistungen für Fachleute aus verschiedenen Bereichen an, die das Beste aus zwei Schlüsselaspekten der Meteorologie machen: Atmosphärenphysik und Datenwissenschaften. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Vorhersage von Solarenergie, wobei innovative Lösungen zur Verbesserung der kurzfristigen Vorhersage der Sonneneinstrahlung entwickelt wurden.
Das Unternehmen hat zahlreiche Förderungen erhalten, darunter im Rahmen des H2020-Programms für KMU der Phase 1, was Reuniwatt zu einem europäischen Champion in Sachen Innovation macht. Reuniwatt wurde außerdem als eines der schnell wachsenden nationalen Unternehmen ausgewählt, um am prestigeträchtigen Programm French Tech 120 in den Jahren 2020 und 2021 teilzunehmen, und war einer der Preisträger der French Space Tour 2021.