05. Jul. 2019
Regenwolken über Bamako, Burkina Faso.

Regenwolken über Bamako, Burkina Faso.

Der Mobilfunk hat sich weltweit durchgesetzt. Selbst Gegenden, in denen keine Telefonleitungen verlegt wurden, von Breitbandkabeln ganz zu schweigen, werden von Handynetzen abgedeckt. Meteorologen wollen Daten der Mobilfunknetze für die Berechnung von Luftfeuchtigkeit und Regen benutzen. Die Idee ist schon etliche Jahre alt, aber langsam nähert sich die Methode der Einsatzreife.

"Wir haben vor 15 Jahren in einem Aufsatz in 'Science' gezeigt, dass die Mobilfunkdaten umfangreiche Informationen über die Feuchte der Luft enthalten, aus denen man Niederschläge ermitteln kann, das war der Beginn einer neuen Ära", erinnert sich Pinchas Alpert, Professor für Geophysik an der Universität Tel Aviv. Konkret nutzen die Forscher die Hochleistungsverbindungen zwischen den Sendemasten, die mit Mikrowellen die Telefongespräche von Funkzelle zu Funkzelle übertragen. Wie in nahezu jeder modernen Küche zu überprüfen, sind Mikrowellen empfindlich gegenüber Wasserdampf, denn er absorbiert ihre Energie. In der Küche ist das gewünscht, weil so Speisen erhitzt werden können. Im Mobilfunknetz ist der Effekt unerwünscht, denn er verringert die Signalstärke.

Blick über den Großraum Tel Aviv bei Nacht.

Blick über den Großraum Tel Aviv bei Nacht.

Bild: Wikimedia/Gilad Avidan (CC BY-SA 3.0)
Zur Regenprognose werden die Mikrowellensender der Mobilfunkmasten benutzt, die wie weiße Trommeln aussehen.

Zur Regenprognose werden die Mikrowellensender der Mobilfunkmasten benutzt, die wie weiße Trommeln aussehen.

Bild: Wikimedia/Christopher Schäfer (CC BY-SA 3.0)
Auch in Burkina Faso, hier die Hauptstadt Bamako, gibt es zahlreiche Mobilfunkmasten, die genutzt werden können.

Auch in Burkina Faso, hier die Hauptstadt Bamako, gibt es zahlreiche Mobilfunkmasten, die genutzt werden können.

Bild: NOAA (public domain)
1 / 3

Blick über den Großraum Tel Aviv bei Nacht.

Bild: Wikimedia/Gilad Avidan (CC BY-SA 3.0)

Zur Regenprognose werden die Mikrowellensender der Mobilfunkmasten benutzt, die wie weiße Trommeln aussehen.

Bild: Wikimedia/Christopher Schäfer (CC BY-SA 3.0)

Auch in Burkina Faso, hier die Hauptstadt Bamako, gibt es zahlreiche Mobilfunkmasten, die genutzt werden können.

Bild: NOAA (public domain)

"Die Mobilfunkunternehmen waren und sind aber daran interessiert, einen möglichst zuverlässigen Dienst anzubieten, deshalb haben sie schon vor 30 oder 40 Jahren berechnet, welchen Effekt jede nur erdenkliche Form von Luftfeuchtigkeit auf ihre Signalstärke hat", so Alpert. Er und seine Kollegen nutzen diese Formeln, um aus den Signaldaten der Mobilfunkmasten die Luftfeuchtigkeit zu ermitteln. "Wir verwenden wirklich nur die Dämpfung, den Leistungsabfall am Empfänger", betont Professor Harald Kunstmann, "wir haben keinerlei Zugriff auf Gesprächsinhalte oder -frequenzen, wir wissen ebenso wenig, wie viele Leute oder noch schlimmer wer telefoniert hat." Kunstmann leitet die Abteilung "Regionale Klimasysteme" am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) des Karlsruhe Instituts für Technologie in Garmisch-Partenkirchen.

4000 Funkstrecken arbeiten in Deutschland als Regensensoren

Kunstmann treibt die Nutzung der Mobilfunkdaten in Deutschland voran und arbeitet mit dem Telekommunikationsausrüster Ericsson zusammen, der für hiesige Mobilfunkunternehmen die Sendenetze betreibt. "Wir sind im Wortsinne Opportunisten, denn wir nützen ein bestehendes System zu einem völlig anderen Zweck", sagt der Physiker und Umweltwissenschaftler. Vom Rechenzentrum des Unternehmens werden mit kurzer Verzögerung die Dämpfungsdaten von bundesweit mehr als 4000 Mobilfunkstrecken im Minutentakt auf Kunstmanns Rechner in Garmisch-Partenkirchen gesendet. Die Forscherinnen und Forscher des IMK erarbeiten aus den Daten bundesweite Regenkarten. Die sind ähnlich genau wie die Regenradare des Deutschen Wetterdienstes und bieten dazu noch einige Vorteile. "Wir sehen auch in Regionen, wo das Radar nicht hineinschauen kann", sagt Kunstmann. Das gilt etwa im Hochgebirge, wo das Radar die Täler nicht abdecken kann.

Ihre Karten sind noch im Teststadium und berücksichtigen auch nur einen Bruchteil der etlichen Zehntausend Mobilfunkmasten hierzulande. Bei einem operationellen Einsatz als Radar-Ergänzung im Rahmen der Wettervorhersage, die der Deutsche Wetterdienst anbietet, müsste die Zahl der berücksichtigen Mobilfunkstrecken wesentlich erhöht werden. Darüber hinaus ist die geographische Abdeckung bislang nicht gleichmäßig, vor allem in Ostdeutschland gibt es nach Kunstmanns Angaben Gebiete, die nicht ausreichend erfasst sind.

Dichte Mobilfunknetze erfassen Wetter in Ballungsräumen

Grundsätzlich aber sind die Mobilfunknetze so dicht geknüpft, dass sie zum Beispiel in Städten eine Auflösung liefern, die sowohl dem Radar als auch dem klassischen meteorologischen Messnetzt schlicht fehlt. "Wir haben derzeit keine Möglichkeit, die Feuchtigkeit über Städten zu messen", sagt Pinchas Alpert, "denn alle unsere Messungen geben nur die Werte an der konkreten Stelle der Station wieder und diese werden von zahlreichen Randbedingungen beeinflusst." Das kann der Schatten eines höheren Gebäudes oder eines Baumes sein, der Auslass einer Klimaanlage und dergleichen mehr. Alpert und seine Kollegen erforschen daher, wie sich die Mobilfunkdaten für die Wetterforschung im Bereich von Ballungsräumen nutzen lässt.

"Die Handynetze liefern uns die Auflösung für die Kalkulation der Luftfeuchtigkeit, die wir für die Wettervorhersagemodelle brauchen", berichtet Yoav Rubin, Doktorand bei Pinchas Alpert. Rubin hat die Verteilung der Luftfeuchtigkeit im Großraum Tel Aviv aufgrund der Mobilfunkdaten berechnet und seine Karten mit den Ergebnissen verglichen, die zum einen die Messstationen des israelischen Wetterdienstes und zum zweiten das Wettermodell des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage lieferten. "Wir haben wirklich gute Übereinstimmungen mit den Wetterstationen und sind wesentlich besser als das Modell", so Rubin, "und wir können eben in einer Auflösung messen, die unsere klassischen Instrumente einfach nicht bieten." Rubin und Alpert erhalten ihre Daten von den israelischen Mobilfunkbetreiber nur in 15-Minuten-Intervallen, so dass zusätzliche Algorithmen nötig sind, um diese Zeiträume zu überbrücken. Dennoch ist die Methode eine willkommene Ergänzung zu den klassischen Mess- und Radarstationen, denn sie erfasst auch Gebiete, die bislang nur schlecht abgedeckt waren, etwa den Negev im Süden. Denn auch wenn der Wetterdienst dort nur spärlich präsent ist, Mobilfunkversorgung gibt es zumindest entlang der Straßen.

Kostengünstige Messmethode für Entwicklungsländer

Das macht die Methode auch so interessant für Staaten der Dritten Welt. Während das Netz der Regenmessstationen etwa in Afrika notorisch große Löcher hat, ist die Mobilfunkabdeckung in den meisten Staaten überraschend gut. "Es gibt etwa in Nordafrika Tausende von Kilometern ohne eine Messstation, aber die Mobilfunkbetreiber haben zumindest entlang der großen Straßen ihre Infrastruktur aufgebaut", so Yoav Rubin. Und mit deren Dämpfungsdaten können Meteorologinnen und Meteorologen Berechnungen über Regenfälle und möglicherweise sogar über die Luftfeuchtigkeit anstellen.

Harald Kunstmann hat gerade einen Forschungsantrag gestellt, um ein Testprojekt in Burkina Faso aufzubauen. Für den Sahel-Staat sind zuverlässige Regenprognosen lebensnotwendig, denn die Niederschlagsmenge dort ist wesentlich geringer als in Deutschland, dafür aber konzentriert auf einige wenige Ereignisse in der Regenzeit. "Ein so armes Land wie Burkina Faso kann sich nur ein paar Regenmessstationen leisten, hat aber gleichzeitig geschätzt 1000 dieser Richtfunkstrecken zwischen den Handymasten", verdeutlicht Harald Kunstmann. Wenn die Förderung kommt, könnten Kunstmann und seine burkinischen Partner auf einen Schlag die Datenbasis des Wetterdienstes um ein Vielfaches verbreitern.