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.
1.5 Vom gemessenen Signal zur gesuchten Information
Da verschiedene Nutzer unterschiedliche Ansprüche an die Daten haben, erfolgt die Auswertung der am Satelliten gemessenen Strahlungsdaten in verschiedenen Stufen. Manche Nutzer möchten Messdaten mit eigenen Algorithmen interpretieren, andere sind nur an den finalen Werten eines gesuchten Parameters interessiert. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Stufen der Bearbeitung werden als „Level“ (Auswertungsebene) angegeben.
Die von Satelliten ermittelte Information steht in verschiedenen Stufen zur Verfügung, den „Levels“. Diese reichen von den Rohdaten bis zu detaillierten Angaben zu vielen verschiedenen meteorologischen, luftchemischen und geophysikalischen Größen.
Anfangswert ist die am Satelliten gemessene Strahldichte, von einem Kanal, von einem Ort und aus einer Richtung, die in Form einer Signalspannung als digitaler Wert (genannt „Count“, Ergebniszahl) übertragen wird. Dies sind die unbearbeiteten Rohdaten, Daten im Level 0. Durch die digitale Datenübertragung stehen diese Messdaten