bis zum Detektor. Derartige Kalibrationen werden im Allgemeinen vor dem Start des Satelliten vorgenommen, müssen aber im All überprüft werden. Eine Änderung der Strahlungseigenschaften des Radiometers im Laufe der Zeit ist denkbar, und zwar durch Alterung der Komponenten, durch Temperatureffekte oder sogar durch einen Beschlag von optischen Flächen durch mitgeführten Wasserdampf. Um Fehler zu vermeiden, die aus sich ändernder Empfindlichkeit resultieren, wird während des Flugs üblicherweise regelmäßig gegen eine bekannte Quelle, wie die Sonne oder einen dafür konzipierten Temperaturstrahler, kalibriert.
Bei fehlerhafter Kalibration (oder wenn im Invertierungsalgorithmus ein Fehler enthalten ist) kann der Fehler in dem final bestimmten Wert des meteorologischen Parameters systematisch sein. Aber auch bei guter Kalibration besteht wegen des variablen Effekts der Störgrößen die Gefahr einer Ungenauigkeit des gesuchten Parameters. In jedem Fall müssen die Ergebnisse der Satellitenmeteorologie deshalb immer wieder durch den Vergleich mit Ergebnissen von Messungen mit anderen Methoden überprüft werden. Dabei darf daran erinnert werden, dass dieses Problem natürlich für alle Methoden zur Messungen meteorologischer Parameter gilt. Ein derartiger Test mit unabhängigen Methoden zur Qualitätssicherung und Verifizierung der Ergebnisse heißt „Validation“.
Jedes Messverfahren muss überprüft werden – das gilt auch für die Methoden der Satellitenmeteorologie. Hierzu werden Werte der gleichen Größe verwendet, zur gleichen Zeit und am gleichen Ort, aber bestimmt mit anderen, unabhängigen Methoden.
Die Aspekte der Validation sind bei allen satellitenmeteorologischen Anwendungen gleich: Als erstes muss es passende Vergleichsdaten geben und weiter müssen die zu vergleichenden Ergebnisse von zeitlich und räumlich übereinstimmenden Punkten stammen. Letztendlich ist zu beachten, dass die Werte über die gleichen Areale oder Volumina gemittelt sind. Naheliegend ist es, In-situ-Messungen vom Boden oder Flugzeugen aus zum Validieren zu nutzen. Aber schon bei der Messung des Niederschlags oder der Temperatur zeigt sich das Problem der räumlichen Mittelwertbildung, da diese Größen eine hohe räumliche Variation aufweisen. Die Mittelung lokaler derartiger Werte über das für den Vergleich notwendige Areal resultiert in einer Unsicherheit, die in gleicher Größenordnung liegen kann wie im Fall einer Messung des Parameters mittels Satelliten. Um dieses Problem zu vermeiden, bietet es sich an, mit Ergebnissen aus anderen Satellitendaten zu vergleichen. Auch hierbei muss die räumliche und zeitliche Übereinstimmung der zu vergleichenden Ergebnisse berücksichtigt werden und mitunter können die zu vergleichenden Werte, aufgrund ähnlicher Methodik, nicht als unabhängig angesehen werden. Eine weitere Methode besteht darin, die Algorithmen auf „Pseudo-Satellitendaten“ anzuwenden, die mittels Strahlungsübertragungsrechnung bestimmt werden. Dabei ist der „wahre“ Wert der gesuchten Parameter natürlich bekannt, da er ja eine der Eingangsgrößen der Modellierung darstellt. Dieses Verfahren ähnelt den Sensitivitätsstudien, die zur Entwicklung des Algorithmus verwendet werden. Hierbei kommt es immer darauf an, wie gut die reale Variation der möglichen Atmosphärenparameter bei der Modellierung erfasst wurde.
Die Verwendung von Bodenmessungen zur Validation oder zur Optimierung der Algorithmen bedeutet natürlich nicht, dass die Satellitenmessungen durch Bodenmessungen ersetzt und damit überflüssig werden. Qualitativ hochwertige Bodenmessungen stehen oft nur an wenigen Orten zur Verfügung oder werden durch einzelne, zeitlich begrenzte Kampagnen gewonnen. Das reicht aber oft aus, um einen Algorithmus zu überprüfen und gegebenenfalls zu verbessern. Dieser kann dann für andere Gebiete oder auch global und für andere Zeiten genutzt werden – mit all den genannten Vorteilen der Satellitenmeteorologie.
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