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1.4 Beispiele meteorologischer Fernerkundung

1.4.1 Information aus einem Kanal

Die von jedem Radiometerkanal gemessene Information besteht immer nur aus einer Signalstärke. Jeder Kanal liefert damit primär nur verschiedene Grauwerte zwischen schwarz bei keiner und weiß bei maximaler Strahlung. Jedes Bild eines einzelnen Kanals ist damit nur als Schwarz-Weiß-Bild oder als Bild mit Helligkeitsstufen einer gegebenen Farbe darstellbar. Wird ein Satellitenbild, das mit nur einem Kanal bestimmt wurde, trotzdem mit verschiedenen Farben gezeigt, so kann das zur besseren Unterscheidung zwischen Untergrund und meteorologischer Information sinnvoll sein. Bei dieser Methode, die unter anderem früher für Meteosat-Bilder im Fernsehen angewendet wurde, wird aber keine fernerkundete, aktuelle Information für den Boden gezeigt, sondern es handelt sich um “Hintergrundwissen”, das auch zum Druck einer Landkarte hätte verwendet werden können.

Als Beispiel für mittels Satelliten gewonnene Information sind in den Abbildungen 1.5 a–c die gesamte von einem geostationären Satelliten aus sichtbare Fläche der Erde in verschiedenen Bereichen elektromagnetischer Strahlung wiedergegeben. Die Bilder, die eine Mittagssituation zeigen, stammen von dem europäischen Satelliten Meteosat Second Generation (MSG), der fest bei 0° geographischer Länge über dem Äquator steht (Kap. 4.1.2). Die erste Generation von Meteosat hatte breite Kanäle im sichtbaren Spektralbereich, genannt VIS (visible), im Bereich der Wasserdampfabsorption bei 6,7 μm, genannt WV für Wasserdampf (Water Vapor), und im Bereich des atmosphärischen Fensters bei 10 μm, genannt IR (infrared) (Kap. 2.1.1). Meteosat Second Generation hat, dank verbesserter Technologie, in jedem dieser Bereiche mehr und schmalere Kanäle, wodurch sich die Invertierungsmöglichkeiten erheblich verbessern. Die Namen der Kanäle wurden beibehalten, aber zur Spezifizierung zusätzlich eine Zahl angegeben, die die Zentrumswellenlänge in Mikrometer (μm) angibt.


Abb. 1.5

Die Erde, gesehen von Meteosat Second Generation in verschiedenen Kanälen (EUMETSAT, 2011)


Abb. 1.5 a

Meteosat-Kanal VIS 0.6.

Abbildung 1.5 a zeigt ein Bild der Erde im VIS-0,6-Kanal, d.h. im Bereich der sichtbaren Strahlung, ähnlich wie ein Mensch die Erde aus der Entfernung des Satelliten sehen würde. Allerdings entspricht das Bild der Wahrnehmung eines einäugigen, farbenblinden Menschen, da ihm die Information von nur einem Kanal zugrunde liegt. Die Wolken sind hell, das Meer ist dunkel, und die Landflächen sind unterschiedlich grau, je nach Oberflächentyp und Bewuchs. Aber schon dieses Bild verdeutlicht, dass die einfache Betrachtung eines Satellitenbildes Information enthält, die ohne den Blick von weit außen auf die Erde in dieser Zusammenschau nicht möglich wäre. Beispielsweise ist die Lage der Tiefdruckfronten auf der Nordhalbkugel zu erkennen. Offene Wolkenzellen über dem subtropischen Atlantik zeigen Bereiche, wo Kaltluft über wärmeres Wasser strömt. Weiter ist die Lage der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) mit ihren zahlreichen lokalen Gewittern und den größeren hellen Gewitterclustern erkennbar. Damit ist bereits die einfache visuelle Interpretation sehr informativ und für die „meteorologische Didaktik“ von großer Bedeutung. Wenn dann noch Unterschiede zwischen mehreren Bildern mit kurzem zeitlichem Abstand betrachtet werden, kann aus der Verlagerung von Bildelementen zusätzliche Information für die Wettervorhersage abgeleitet werden.

Abbildung 1.5 b zeigt die Strahlung, die Meteosat zur gleichen Zeit, aber in einem Kanal im Infraroten (IR-10,8) erreicht. Das heißt, die Signale stammen aus dem Wellenlängenbereich des atmosphärischen Fensters bei rund 10 μm, wo die Transmission durch die Atmosphäre so gut ist, dass auch der Boden „gesehen“ werden kann. In IR-Kanälen wird die Signalstärke in erster Linie durch die Temperatur des strahlenden Körpers bestimmt, und zwar – wie später erklärt wird – steigt die Strahlung mit steigender Temperatur (Kap. 2.2.1). Damit ergeben die hohen, kalten Wolken ein geringes Signal, sind also dunkel, und der warme Boden ist hell, wie Abbildung 1.5 b zeigt.

„Meteosat“ ist der Name für geostationäre europäische Satelliten, die in der Zeit ihrer operationellen Nutzung fest bei 0° geographischer Länge über dem Äquator stehen. Sie beobachten in zeitlich dichter Folge nicht nur fast ganz Europa und Teile des Atlantiks, sondern auch Afrika und die umgebenden Meere.


Abb. 1.5 b

Meteosat-Kanal IR 10.8.

Um der menschlichen Wahrnehmungsgewohnheit zu entsprechen, dass Wolken hell sind und das Meer dunkel ist, wird bei weiterbearbeiteten IR-Bildern die Helligkeitsskala umgekehrt und Gebiete mit hohen Temperaturen (z. B. Meer) werden dunkel und kalte Bereiche (z. B. Wolken) hell dargestellt. Das sind dann die IR-Bilder, wie sie üblicherweise gezeigt werden.

Auch in Abbildung 1.5 b sind wieder unterschiedliche Grauwerte zu erkennen, die jetzt unterschiedliche Temperaturen bedeuten. Auch dieser Kanal liefert wieder bereits durch die bloße Betrachtung des Satellitenbildes interessante Information. Zum Beispiel ist die Wüste in diesem Mittagsbild wärmer und damit wegen der verwendeten Originaltemperaturzuordnung heller als der Urwald und der Ozean. Die kalten Zirren über der Sahara, die so dünn sind, dass sie im VIS-Bild fast nicht gesehen werden, zeichnen sich dank des Temperaturkontrasts zur Wüste deutlich ab. Die Helligkeitsunterschiede verschiedener Wolken dokumentieren, dass sie unterschiedliche Temperaturen haben. Da bekannt ist, dass die Temperatur in der Atmosphäre mit der Höhe abnimmt, kann aus der Temperatur einer Wolke deren Höhe abgeleitet werden, wobei natürlich die Strahlungseigenschaften der Wolke und das für den Beobachtungsort gültige Temperaturprofil berücksichtigt werden müssen. Neben der Bestimmung des Bedeckungsgrades, eine Information die schon im VIS-Kanal enthalten ist, ergibt sich durch Kombination der Informationen von VIS und IR somit die Möglichkeit, den Bedeckungsgrad in verschiedenen Wolkenstockwerken und damit für verschiedene Wolkentypen zu ermitteln (Kap. 6).

Wie beim VIS-Bild liefern auch die Wolkenbilder im Infrarot-Kanal über die zeitliche Abfolge Informationen über den Wind im Wolkenniveau (Kap. 8). Zudem bietet die zeitlich hochaufgelöste Bestimmung der Änderung der Größe und Höhe einzelner Wolken eine Möglichkeit zur Erkennung von Schauern und Unwettern, aber auch von Fronten und anderen meteorologischen Systemen.


Abb. 1.5 c

Meteosat-Kanal WV 6.2.

Abbildung 1.5 c zeigt, wie die Erde von Meteosat aus zur gleichen Zeit in einem WV-Kanal ausgesehen hat. Die Strahlung in diesem Kanal wird vom Wasserdampf in der Atmosphäre emittiert und ist damit abhängig von dessen Menge und Temperatur. So gilt wieder, dass Bereiche mit niedrigen Temperaturen, resultierend in geringer Strahlung, dunkel erscheinen, während solche mit höherer Temperatur und viel Wasserdampf als helle Flächen zu sehen sind. In Abbildung 1.5 c sind die hohen Wolken wieder erkennbar, da sie oberhalb des emittierenden Wasserdampfniveaus liegen. Tief liegende Wolken werden jedoch durch das Wasserdampfsignal maskiert, sind also nicht sichtbar. Das erlaubt aus zeitlich dicht folgenden WV-Bildern für Wolken, die plötzlich sichtbar werden, auf deren rasche Höhenzunahme und damit auf eine Gewitterentwicklung zu schließen. Die Verlagerung von zu erkennenden Wasserdampfstrukturen wird, wie die von Wolken, zur Windbestimmung genutzt (Kap. 8). Wichtig ist die Fernerkundung des Wasserdampfgehalts aber auch für die Kontrolle der Ergebnisse von numerischen Prognose- und Klimamodellen.

1.4.2 Information aus der Kombination mehrerer Messungen

Im Laufe der Jahre wurde die Zahl der spektralen Kanäle in den Satellitenradiometern erhöht, ihre spektrale Auflösung verbessert und die Messung der Polarisation hinzugenommen. Aktive Methoden wurden realisiert und mit unterschiedlichen Abtastmethoden und Pixelgrößen kombiniert. Beispiele hierzu werden in den folgenden Anwendungskapiteln vorgestellt.

Um die durch die erweiterten Messmöglichkeiten gegebene Zusatzinformation zu nutzen und so die Invertierung zu verbessern, werden häufig mehrere Sensoren an Bord eines Satelliten gemeinsam geflogen. Ein aktuelles Beispiel für diese Entwicklung ist die Plattform „Envisat“, auf der zehn Instrumente vereint sind, und die mit 25 m Länge und 8 t Gewicht der größte je von der ESA gebaute Satellit ist (Abb. 1.6).


Abb. 1.6

Envisat im Labor. Die Größe des Satelliten wird durch die Menschen im Bild verdeutlicht (EUMETSAT, 2011).

Eine andere Lösung zur Nutzung der synergetischen Effekte verschiedener Sensoren, die das gleiche Gebiet beobachten, ergibt sich durch die Verwendung mehrerer kleinerer Satelliten, die in kurzem räumlichen und damit zeitlichen Abstand auf der gleichen Bahn fliegen. Dieses Konzept ist im sogenannten A-Train der NASA verwirklicht, der in Kapitel 13 vorgestellt wird. Damit ist die Möglichkeit gegeben, jeden Punkt unter der Flugbahn nahezu gleichzeitig mit ganz verschiedenen Sensoren zu beobachten, ohne sich mit den technischen Problemen auseinandersetzen zu müssen, die sich bei der Integration mehrerer Radiometer auf einem Satelliten immer ergeben. Durch die Verteilung der Sensoren auf verschiedene Satelliten wird die Konkurrenz um eine Position mit Blick nach unten innerhalb eines Satelliten ebenso behoben wie die Probleme mit gegenseitigen mechanischen und elektrischen Störungen der Sensoren und ihrer Wärmeabfuhr. Es entfällt weiter das Risiko, dass Probleme eines einzelnen Sensors eine Gefahr für den ganzen Instrumentenverbund bedeuten oder dass ein Fehlstart gleich viele verschiedene Sensoren vernichtet. Dass dieses Risiko eines missglückten Flugs auch heute noch besteht, zeigte sich in den misslungenen Starts des „OCO“ im Jahr 2009 und von „Glory“ im Frühjahr 2011, die beide für den A-Train vorgesehen waren.

In Zukunft werden sich die Möglichkeiten und Methoden der Satellitenmeteorologie weiterentwickeln (Kap. 13.5). Verbesserungen bei optischen Komponenten, Detektoren, Elektronik und Energieversorgung sowie bei den technischen Möglichkeiten für aktive Fernerkundung, aber auch bei den Methoden zur Dateninterpretation werden neue Möglichkeiten eröffnen. Zum Beispiel wird die in Planung befindliche dritte Generation Meteosat (Meteosat Third Generation, MTG) neue Produkte liefern, wie globale Blitzortung und die Bestimmung verschiedener chemischer Substanzen in der Atmosphäre. Aber auch die derzeitig schon fernerkundeten Größen sollen mit besserer Qualität und Auflösung ermittelt werden.

Ergebnisse der Satellitenmeteorologie dienen der Aktualisierung der Startbedingungen von Wettervorhersagemodellen sowie der generellen Verbesserung der Kenntnisse über meteorologische und geophysikalische Parameter. Sie gehen aber auch als Eingangsgrößen in weiter führende Programme ein, mit denen Vorgänge berechnet werden, bei denen meteorologische Ereignisse als Antriebsgrößen von Bedeutung sind. Diese Methoden heißen Fernerkundung 2. Grades oder indirekte Fernerkundung. Ein Beispiel hierfür ist die Abschätzung der Ernteaussichten eines bestimmten Gebietes durch die kontinuierliche Satellitenfernerkundung des Pflanzenzustands und der für die Pflanzenentwicklung relevanten Größen wie Niederschlag, Strahlung und Temperatur. Ein anderes Beispiel ist die Ermittlung der Malariagefahr in subtropischen Gebieten. Malaria wird von Mücken übertragen, die zu ihrer Entwicklung Wasser und Wärme benötigen. Damit kann durch die Fernerkundung der Temperaturen und des Niederschlags-, ggf. auch von Überschwemmungsgebieten auf die Menge der möglichen Brutstätten der Mücken und ihr Wachstumspotenzial geschlossen und so einer regionalen Gefährdung durch Malaria frühzeitig gegengesteuert werden. Solche indirekten Verfahren werden in diesem Buch jedoch nicht behandelt. Die Ergebnisse der satellitenmeteorologischen Verfahren, die in den Anwendungskapiteln besprochen werden, sind stets meteorologische oder geophysikalische Parameter.

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