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Dr. Peter Köpke, geb. 1944 in Göttingen. Studium der Physik in Göttingen und in München, 1976 Promotion in München zum Thema „Bestimmung der atmosphärischen Trübung mittels geostationären Satelliten“. Wissenschaftler an den Meteorologischen Instituten der Universität Hamburg und der LMU München, mit Forschung zu verschiedenen Themen der Satellitenmeteorologie.

Dr. Michael Sachweh, geb. 1958 in Köln. Studium der Physischen Geographie mit Schwerpunkt Klimatologie/Meteorologie an der LMU München, 1991 Promotion an der Fakultät Geowissenschaften. 1990 –1996 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Meteorologischen Institut der LMU München. 1990 –2003 Dozent an den Universitäten Augsburg und München, 1997–1999 in privaten Wettervorhersagediensten beschäftigt, seit 2000 Leitung eines privaten Wetterdienstes.

Impressum

Die in diesem Buch enthaltenen Empfehlungen und Angaben sind vom Autor mit größter Sorgfalt zusammengestellt und geprüft worden. Eine Garantie für die Richtigkeit der Angaben kann aber nicht gegeben werden. Autor und Verlag übernehmen keinerlei Haftung für Schäden und Unfälle.

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Vorwort

Nur wenige Teilbereiche der Meteorologie haben eine solche Popularität erlangt wie die Satellitenmeteorologie. Dies resultiert vor allem aus den Satellitenbildern im Fernsehen, die im täglichen Wetterbericht gesendet werden und jedermann bekannt sind. Die Bilder zeigen eine hochaufgelöste Darstellung der Bewölkungsstrukturen über weiten Teilen Europas, oft in hoher zeitlicher Auflösung. So wird die Verlagerung von Wolken erkennbar, und es wird ein Einblick in die großräumige atmosphärische Zirkulation und die Entwicklung von Wettersystemen vermittelt. Ebenso bekannt sind Satellitenbilder der Erdoberfläche mit detaillierter Information über die Verteilung von Wäldern, Wüsten, städtischen Strukturen oder auch von Eis und Schnee. Derartige Bilder befriedigen nicht nur das wissenschaftliche Interesse an genauer Information, sondern faszinieren ebenso durch ihre Ästhetik. Ein verstärktes öffentliches Interesse an der Satellitenperspektive wird auch durch moderne Internetprogramme wie „Google Earth“ geweckt, mit denen bequem vom heimischen Computer aus eine spannende Reise in die verschiedensten Erdregionen unternommen werden kann.

Die mit Blick vom Satelliten auf die Erde gewonnene Information basiert auf Strahlung, die von der Erdoberfläche und der Atmosphäre ausgeht oder modifiziert wird. Die Eigenschaften der am Satelliten ankommenden Strahlung werden durch Emission, Absorption und die Prozesse auf dem Weg durch die Atmosphäre bestimmt. Deutlich wird dies, wenn es sich bei der Strahlung um sichtbares Licht handelt und dicke Wolken im Bild sind: In einem solchen Fall „sieht“ der Sensor am Satellit die Wolken, unter wolkenfreien Bedingungen dagegen den Boden. Damit ermöglichen satellitengetragene Beobachtungssysteme sowohl einen Informationsgewinn über die Atmosphäre als auch die Erfassung von Bodensignalen. Die Gewinnung von Information über die verschiedenen Atmosphärenparameter entspricht meteorologischen Beobachtungen, aber auch die Erfassung der Erdoberfläche ist nötig, da diese für meteorologisch-klimatologische Fragestellungen eine wichtige Randbedingung darstellt. Beides ist der Inhalt des vorliegenden Buches, wobei die Fernerkundung des Bodens aus meteorologischer Sicht behandelt wird. Beobachtungen für rein geographische oder geologische Fragestellungen werden nicht vorgestellt, obwohl die im Buch behandelten Grundlagen der Fernerkundung mittels Satelliten natürlich auch hierfür gelten.

Meteorologische Phänomene wie das Wetter können sich in kurzer Zeit ändern. Hier bilden Satellitensysteme eine ideale Beobachtungsplattform, da von ihnen aus die ganze Erde kontinuierlich beobachtet werden kann. Das ist ganz besonders für Erdregionen mit geringer Wetterstationsdichte von Vorteil: Hier bringen die Daten der Wettersatelliten einen sichtbaren Fortschritt im Monitoring und der Prognose von Wetter und Klima.

Im Fernsehen gezeigte Satellitenbilder stammen überwiegend aus einem Spektralbereich ähnlich dem des menschlichen Auges. Satellitengetragene Sensoren, unsere „Augen“ im Weltraum, sind jedoch auch so konstruiert, dass sie auch in anderen Spektralbereichen Information empfangen und zur Interpretation bereitstellen. Diese gehen von der ultravioletten Strahlung über das sichtbare Licht und die Wärmestrahlung bis zu den Mikrowellen. Weiter kann vom Satellit – ähnlich wie bei einem Schiffsradar – aktiv Strahlung in Richtung Erde geschickt und die zurückkommende Strahlung interpretiert werden. Je nach Fragestellung werden Satelliten eingesetzt, die auf ganz unterschiedlichen Bahnen die Erde umkreisen. Darüber hinaus kann die Beobachtungsgeometrie der Sensoren variiert werden, was zum Informationsgewinn beiträgt.

Das vorliegende Buch zeigt diese Aspekte näher auf und beschreibt die Vielfalt der Möglichkeiten, wie sich aus der Strahlungsinformation eine meteorologische Information gewinnen lässt. Es arbeitet aber auch die Gemeinsamkeiten heraus, die allen Methoden und Anwendungen zugrunde liegen, da sie allgemeingültigen physikalischen Gesetzen folgen. Das Wort „Meteorologie“ im Titel deutet an, dass die detailliert vorgestellten Anwendungen der Fernerkundung im Wesentlichen aus dem Bereich der meteorologischen und damit auch klimatologischen Fragestellung kommen. Es werden zunächst die physikalischen Grundlagen der Fernerkundung mittels satellitengetragener Sensoren vorgestellt. Die sich anschließenden Kapitel widmen sich den Anwendungen und erläutern, wie aus Satellitenmessungen Informationen zu den wichtigen wetter- und klimarelevanten Parametern abgeleitet werden können. Dabei wird der methodische Weg von der Strahlungsmessung bis zur Ableitung der physikalisch-meteorologischen Größe erläutert, sowie Beispiele für die Ergebnisse gezeigt.

Der Bereich meteorologischer Themen, in denen Satellitendaten genutzt werden, ist so umfangreich, dass es sicherlich Anwendungen gibt, die in diesem Buch nicht behandelt werden, obwohl sich manche Leser dafür interessieren. Hierzu verweisen wir auf weiterführende Fachliteratur und hoffen zudem, dass aus den gezeigten Grundlagen der Fernerkundung das Prinzipielle auch für die vermisste Anwendung abgeleitet werden kann.

Das Buch liefert einen fundierten Einstieg in die Thematik und damit auch eine Basis für die Lektüre satellitenmeteorologischer Fachbücher, die meist in englischer Sprache vorliegen und spezifische Themen behandeln. Es wendet sich primär an Studierende, insbesondere aus den Disziplinen Meteorologie, Ozeanographie und Physische Geographie, die Fernerkundungsdaten nutzen und die Hintergründe verstehen wollen, ohne sich mit dem Strahlungstransport im System Boden und Atmosphäre oder andern Details auseinanderzusetzen, sowie auch an interessierte Laien. Es wird ein umfassender Überblick über die Satellitenmeteorologie gegeben, der Leserin und Leser befähigt, sich bei Bedarf in spezielle Themen einzuarbeiten.

Die rasante Entwicklung der Satellitenmeteorologie in den vergangenen zwei Jahrzehnten hat zu einem hohen Grad an Spezialisierung innerhalb dieser Disziplin geführt, die fachlich fundierte Einführungen in das gesamte Spektrum der Satellitenmeteorologie aus der Sicht eines einzelnen Autors zunehmend erschwert. Dem trägt dieses Lehrbuch Rechnung, indem es das Fachwissen mehrerer Autoren, die sich durch spezifische Expertise auszeichnen, zusammenführt.

Auch wenn alle Texte von einer Reihe von Lesern sachkundig lektoriert wurden, kann ein Buch wie dieses nicht fehlerlos sein. Herausgeber, Autoren und Verlag nehmen deshalb gerne jeden konstruktiven Verbesserungsvorschlag entgegen.

Wir Herausgeber bedanken uns bei den Autoren für die gewissenhafte Arbeit und das Verständnis für die Überarbeitungswünsche, wohlwissend, dass es keine einfache Aufgabe ist, die Materie mit viel Sachinformation und zugleich allgemeinverständlich aufzubereiten. Unser Dank geht auch an den Ulmer Verlag, besonders an Frau Alessandra Kreibaum, die uns über lange Zeit hinweg zur Seite stand, und Frau Sabine Mann, die das Projekt zu einem guten Ende geführt hat. Zu Dank fühlen wir uns auch Frau Dr. Nadja Kneissler verpflichtet, die dieses Buchprojekt befürwortet und unterstützt hat. Der Erfolg eines Lehrbuchs wird wesentlich durch seine Illustrierung mitbestimmt. Hier gebührt unser Dank dem Grafiker, Herrn Helmuth Flubacher. Ihm ist es gelungen, die mitunter nicht einfachen Vorlagen in für den Leser verständliche und attraktive Darstellungen umzusetzen. Schließlich möchten wir uns, auch im Namen aller Autoren, bei unseren Familien und Freunden bedanken, die mit Verständnis und viel Geduld reagierten, wenn wir die Prioritäten unserer Zeitplanung immer wieder zu Lasten der Gemeinsamkeit und zugunsten des Buchprojekts setzen mussten.

1 Was bedeutet Satellitenmeteorologie?

1.1 Motivation für satellitengestützte Fernerkundung

Ganz allgemein steht „Satellitenmeteorologie“ für die Gewinnung von meteorologischer Information mithilfe von Erdsatelliten. Es geht um die Fernerkundung von Parametern der Atmosphäre und der Erdoberfläche, die für meteorologische Prozesse und damit auch für das Klima wichtig sind.

Jeder Erkenntnisgewinn im naturwissenschaftlichen Bereich beruht auf einer Beobachtung, die durch eine Formel beschrieben werden kann, in heutiger Zeit auch durch ein Computermodell. Die erste Beschreibung der Zusammenhänge wird durch weitere Beobachtungen überprüft und gegebenenfalls verbessert. Je komplexer das zu beschreibende System ist, desto aufwendiger muss die Beobachtung sein. Dies gilt für physikalische oder chemische Untersuchungen im Labor genauso wie für biologische und medizinische Fragen, und eben auch für die Meteorologie.

Die Erforschung von Wetter und Klima ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass es unmöglich ist, gezielt Versuche durchzuführen. Die Atmosphäre ist kein Labor, in dem es möglich ist, Prozesse gesteuert ablaufen zu lassen oder Effekte getrennt voneinander zu untersuchen. Alle relevanten Prozesse laufen parallel und naturgemäß immer wieder anders ab und sie beeinflussen sich gegenseitig. Experimentell arbeitende Meteorologen wissen, dass das Wetter häufig nicht so ist, wie sie es sich wünschen: Bei einem Feldexperiment zur Untersuchung von Wolkeneigenschaften „stören“ die sonnigen Abschnitte, während es umgekehrt bei einer Kampagne zur Bestimmung der Trübung der Atmosphäre, bei der die solare Strahlung gemessen wird, ein Teil der Messperiode wegen Bewölkung ungenutzt bleiben muss.

Das Wissen über die Prozesse in der Atmosphäre, das Wettergeschehen und seine Ursachen, hat einen Stand erreicht, der es erlaubt, aufwendige Modelle zu programmieren und damit hochwertige Wettervorhersagen für die nächsten Tage zu erstellen. Aufgrund der Komplexität der Prozesse wird jedoch jede Prognose mit zunehmender Vorhersagezeit schlechter und irgendwann durch die Unsicherheiten im Modell unbrauchbar. Um das zu vermeiden, müssen die Vorhersagemodelle immer wieder mit dem aktuellen Ist-Zustand versorgt werden. Mit dieser Information wird das Modell regelmäßig neu gestartet und so der Vorhersagezeitraum jeweils nach vorne geschoben. Für den Start mit einem neuen Ist-Zustand sollte eine Vielzahl von Messgrößen zur Verfügung stehen, beginnend mit Druck und Temperatur über Bewölkung und Niederschlag bis zu Wind und Eigenschaften des Bodens. Diese Angaben werden jeweils mit einer möglichst detaillierten räumlichen Verteilung benötigt.

Damit meteorologische Modelle gute Ergebnisse für die Wettervorhersage erzielen können, müssen sie immer wieder neu, mit Daten vom „wahren“ Zustand von Atmosphäre und Boden, gestartet werden. Hierzu liefern die aktuellen Parameter, die mittels Satellitenmeteorologie gewonnen wurden, den größten Beitrag. Ohne sie wäre die Wettervorhersage wesentlich ungenauer.

Ein wesentlicher Aspekt bei der Behandlung meteorologischer Prozesse und Phänomene ist die große Dimension der Atmosphäre. Das örtliche Wetter wird zwar auch durch lokale Einflüsse bestimmt, ist aber in erster Linie von der Vorgeschichte der Luftmasse abhängig. Um diese Vorgeschichte zu berücksichtigen, ist es nötig, das Wettergeschehen auf der ganzen Erde in die Vorhersage einzubeziehen, sowohl über Land als auch über See. Als Konsequenz ergibt sich die Notwendigkeit, alle relevanten Größen im globalen Maßstab kontinuierlich sowie zeitlich und räumlich hoch aufgelöst zu erfassen.

Mehr als zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Ozeanen bedeckt oder anderweitig unzugänglich, also Gebiete wo meteorologische Untersuchungen vom Boden aus schwierig sind und damit selten durchgeführt werden. Deshalb bietet es sich an, Beobachtungen vom Weltraum aus zu machen, also Satellitenmeteorologie zu betreiben. Dies hat weiter den Vorteil, dass mit nur einem Instrument die ganze Erde untersucht wird und dadurch Fehler durch unterschiedliche Messgeräte an verschiedenen Orten vermieden werden. Ein zusätzlicher positiver Aspekt für meteorologische Beobachter besteht darin, dass von Satelliten aus in den meisten Fällen ein großes Gebiet der Erde „auf einen Blick“ erfasst wird, großräumige meteorologische Strukturen und Prozesse also in ihrem Zusammenhang beobachtet werden können.

Die Qualität der Wettervorhersage wurde in den letzten Jahren stark verbessert. Abbildung 1.1 zeigt dies exemplarisch anhand der Entwicklung der Güte der Vorhersage für das 500 hPa-Niveau, basierend auf Ergebnissen des Europäischen Zentrums für Mittelfristvorhersage (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF). Die Qualität, die in den 1980er-Jahren für die 3- oder 5-Tage-Vorhersage erreicht wurde, gilt heute für einen zwei Tage längeren Vorhersagezeitraum. Dies beruht auf besseren Modellen und größerer Rechnerkapazität, verbunden mit einer besseren räumlichen und zeitlichen Auflösung im meteorologischen Modell. Ein ganz wesentlicher Grund ist aber auch die erhöhte Zahl und verbesserte Qualität verfügbarer aktueller Startwerte für eine Vorhersage, mit deren Hilfe verhindert wird, dass die Modellergebnisse aus dem Ruder laufen. Für die Generierung dieser Startwerte stehen seit rund 30 Jahren in immer größerem Umfang mittels Satelliten gewonnene Daten zur Verfügung.

Abb. 1.1

Entwicklung der Qualität der Vorhersage für das 500 hPa-Niveau für 3, 5, 7 und 10 Tage, gezeigt anhand von Ergebnissen des Prognosemodells des Europäischen Zentrums für Mittelfristvorhersage (nach Hagedorn, ECMWF, 2010, und Bauer, 2011).

Da in der Südhemisphäre aufgrund der dominierenden Fläche der Ozeane, aber auch wegen der dortigen Infrastruktur, nur relativ geringe Mengen konventioneller Beobachtungsdaten verfügbar sind, macht sich die durch Satellitendaten verbesserte Situation für die Südhälfte der Erde besonders deutlich bemerkbar. Als Ergebnis hat sich die Vorhersagequalität für beide Hemisphären immer stärker angenähert und ist seit einigen Jahren nahezu gleich.

Abbildung 1.2 zeigt als Beispiel die Anzahl der vom ECMWF als Startwerte genutzten Beobachtungswerte für den 13. Februar 2006. Es ist zu erkennen, dass rund 95 % der Daten von Satelliten stammen, während sich die restlichen 5 % auf Radiosonden, Flugzeuge, Landstationen sowie Schiffe und Bojen verteilen. Speziell Messungen mittels Radiosonden sind immer noch sehr wichtig, aber in neuerer Zeit hat sich der relative Anteil der Satellitenmeteorologie weiter erhöht, da jetzt auch die Änderungen der Strahlung von GPS-Satelliten auf ihrem Weg durch die Atmosphäre als meteorologische Information genutzt werden.

Durch die Satellitenmeteorologie gewonnene globale Daten von meteorologischen, luftchemischen und geographischen Parametern sowie deren Änderungen erlauben die Überprüfung der Qualität komplexer Prognosemodelle.

Abb. 1.2

Am Europäischen Zentrum für Mittelfristvorhersage empfangene Messwerte zur Verwendung in globalen Wetterprognosemodellen. Angegeben ist für einen 24-Stunden-Zeitraum am 13. Februar 2006 die Zahl der Beobachtungen von Satelliten, Landstationen, Schiffen und Bojen sowie die der Wind- und Temperaturprofile aus verschiedenen Methoden (unter Nutzung einer Abbildung von Hagedorn, ECMWF, 2010).

Dank der Satellitendaten ist es möglich, die Qualität numerischer Wetterprognosen signifikant zu verbessern. Aber Satellitendaten werden auch genutzt, um die grundlegende Qualität von Wetter- und Klimamodellen zu überprüfen, durch umfassende Vergleiche von modellierten und gemessenen Werten. Dies gilt für meteorologische Größen wie Wind, Temperatur oder Wasserdampf, aber auch für die Ergebnisse von komplexen Modellen, wie sie für die Luftchemie betrieben werden. Die Verteilung der Spurengase in Raum und Zeit wird durch deren Quellen und Senken hervorgerufen, in Kombination mit vielfältigen chemischen Reaktionen, die ihrerseits noch druck- und temperaturabhängig sein können, und weiter durch die Verlagerung der Luftmassen als Ergebnis meteorologischer Prozesse. Damit sind Chemietransportmodelle hoch komplex und ihre Qualität ist schwierig zu beurteilen. Diese kann aber durch den Vergleich von Modellergebnissen mit entsprechenden Messungen einer Vielzahl von Spurengasen (Kap. 10) überprüft werden. Gute Modelle erlauben dann wiederum, auch für Orte ohne Messungen Ergebnisse zu liefern und „in die Zukunft“ zu rechnen. Analoges gilt für Wettervorhersagemodelle: Messdaten für verschiedene Orte und Höhen in der Atmosphäre, für unterschiedliche Tag-, Nacht- und Jahreszeiten, können Hinweise auf mögliche Verbesserungen der Modelle liefern.

Die Satellitenmeteorologie beinhaltet nicht nur die Erfassung von Atmosphärenparametern wie Wolken (Kap. 6), Niederschlag (Kap. 7), und die für das Klima wichtige Strahlungsbilanz der Erde als Ganzes (Kap. 12), sondern auch die von Größen des Unterrands der Atmosphäre, die für meteorologische Prozesse wichtig sind. Dazu gehören die Bodentemperatur (Kap. 5) und die Verteilung von Eis und Schnee (Kap. 11). Die regelmäßige Wiederholung der Beobachtungen erlaubt die Bestimmung von Winden aus der Verlagerung von Wolken oder Wasserdampfstrukturen (Kap. 8). Mittels Satelliten erfasste Daten ergeben die Verteilung und den Transport von Spurengasen oder Wüstenstaub in der Atmosphäre und ermöglichen, Menge und Eigenschaften von Partikeln kleinräumig zu erfassen (Kap. 9). Neben Informationen für Wetter und Klima liefern Satelliten auch wichtige Umweltdaten. So wird die zeitliche und räumliche Verteilung von Wolken im Hinblick auf die Solarenergie genutzt (Kap. 6 und 12). Weiterhin können von Satelliten aus Brandherde in Wald und Steppe geortet , Überschwemmungsgebiete erkannt, Stadt- und Waldgebiete vermessen und das Grün der Vegetation als Indikator für deren Zustand bestimmt werden. Diese zuletzt genannten Punkte werden in diesem Buch nur kurz behandelt.

Die genannten Aspekte zeigen die große Bedeutung der Satellitenmeteorologie. Sie hilft bei der Kontrolle des Klimas und seiner Änderung sowie bei der Verbesserung der Modelle, die für eine Vorhersage des Klimas genutzt werden. Sie unterstützt aber auch die tägliche Wetterprognose und die Überwachung der Umwelt.

Es ist bekannt, dass das von der Sonne kommende Licht durch die Eigenschaften der Atmosphäre verändert wird. Wolken sind weiß oder grau, und der wolkenlose Himmel ist blau, aber mit unterschiedlicher Farbtiefe an klaren und an trüben Tagen. Ein Blick aus einem Flugzeugfenster zeigt, dass Licht nach oben gestreut und reflektiert wird, sodass Wolken- oder Bodenstrukturen von oben erkannt werden können. Derartige Phänomene werden bei der Satellitenmeteorologie technisch genutzt.

Sichtbares Licht steht dabei für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Für meteorologische Fernerkundung steht jedoch auch elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs zur Verfügung, die mittels passender Sensoren gemessen werden kann. Da die Wechselwirkungen von Atmosphäre und Boden mit der Strahlung wellenlängenabhängig sind, von der Richtung abhängen und auch die Polarisation beeinflussen, können durch Kombination verschiedener Messdaten ganz verschiedene meteorologische Parameter oder Eigenschaften von Substanzen in der Atmosphäre oder des Bodens ermittelt werden.

Um unterschiedlichen Fragestellungen zu genügen, kommen eine Vielzahl von Sensoren mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz. Die Unterschiede beziehen sich nicht nur auf die zur Beobachtung verwendeten Spektralbereiche, die Erfassung der Polarisation, sondern auch auf die Umlaufbahn der Satelliten, die Beobachtungsgeometrien, sowie auf „passive“ und „aktive“ Methoden.

Bei den passiven Methoden wird Strahlung gemessen, die ursprünglich von der Sonne stammt oder vom Boden und der Atmosphäre emittiert wurde. Hierbei wird in vielen Fällen durch ein Abtasten des Beobachtungsbereichs flächenhafte Information erzeugt, das heißt es werden „Bilder“ vom aktuellen Zustand des beobachteten Gebiets gewonnen. Die von der Erde in Richtung zum Satelliten gelangende Strahlung wird je nach Spektralbereich unterschiedlich stark vom Boden und von der Atmosphäre beeinflusst (Kap. 3). Dadurch ist es möglich, Sensorkombinationen zu konzipieren, die eine Trennung der Information von Boden und Atmosphäre erlauben.

Bei den aktiven Methoden wird die zur Untersuchung verwendete Strahlung im Satelliten selbst erzeug, in Richtung Erde geschickt und die rückgestreute oder reflektierte Strahlung gemessen. Aktive Sensoren haben so die Möglichkeit, aus der Zeit zwischen Abschicken und Empfangen eines Signals auf die Entfernung zu schließen, und damit höhenaufgelöst zu messen. Manche Typen erlauben Strukturen der reflektierenden Oberflächen zu erkennen, und zur Interpretation von deren Eigenschaften zu nutzen, was bei passiver Messung nicht möglich wäre. Aktive Systeme sind auf Satelliten derzeit noch weniger stark vertreten als passive, im Wesentlichen wegen des zusätzlichen Problems der beschränkten Lebensdauer ihrer Strahlungsquelle.

Die Geschichte der Satellitenmeteorologie beginnt 1960 mit dem Satelliten „Tiros 1“, der mit einem Strahlungsmessgerät, einem Radiometer, ausgestattet war, das Graustufen unterschieden hat, und so Information zur Bewölkungsverteilung lieferte. Der seitdem stattgefundene technologische Fortschritt hat zu einer solchen Vielzahl unterschiedlicher Methoden und Anwendungen in der Satellitenmeteorologie geführt, dass es wichtig ist, deren gemeinsame physikalische und technische Grundlagen zu zeigen, bevor auf die einzelnen Verfahren eingegangen wird. In diesem Buch werden deshalb zunächst die Grundlagen ausführlich dargestellt (Kap. 2 – 4). Die in der Praxis verwendeten Methoden werden dann anhand der Bestimmung verschiedener meteorologischer Parameter getrennt behandelt (Kap. 5 –12), und Kapitel 13 gibt einen Überblick über meteorologische Satelliten und Sensoren. Nicht diskutiert werden fotografische Methoden, da Weltraumfotos zwar interessant sind – und häufig auch ästhetisch und didaktisch wertvoll –, aber nicht die für meteorologische Fragestellungen wichtigen kontinuierlichen Beobachtungen beinhalten.

Die zitierte Literatur wird am Ende des Buches angegeben, und zusätzlich werden Bücher genannt, die Grundlagen behandeln oder detaillierter auf einzelne Aspekte eingehen. Dabei werden auch ältere Publikationen aufgeführt, weil die Grundlagen der Satellitenmeteorologie dort meist ausführlicher behandelt werden als in neueren Veröffentlichungen. Da sich die physikalischen Grundlagen nicht ändern und neue Instrumente häufig auf älteren aufbauen, auch um die Kontinuität der Messreihen zu gewährleisten, sind die älteren Publikationen nach wie vor sachlich richtig und hilfreich. Bei den Lesern dieses Buches wird meteorologisches Grundwissen vorausgesetzt, diesbezügliche Bücher werden aber auch bei der Literatur zu den Grundlagen aufgeführt. Da detaillierte, aktuelle und gut dargestellte Information zunehmend auch im Internet zu finden ist, wird zudem eine Vielzahl von Web-Seiten angegeben, die sich mit der Thematik befassen. Einen aktuellen Überblick über die Perspektiven der Satellitenmeteorologie haben Thies und Bendix (2011) publiziert.

1.2 Sprache und Namen

Seit einigen Jahrzehnten ist amerikanisches Englisch die Weltsprache in den Naturwissenschaften. Damit dominiert sie auch die Satellitenmeteorologie – hier sogar in besonderem Maße, da die USA schon seit jeher einen großen Beitrag zu dieser Disziplin leisten.

Englische Fachbegriffe, wie „Pixel“, abgeleitet aus „Picture Element“ für Bildpunkt, werden ganz selbstverständlich benutzt, und für manche Begriffe, wie „Lidar“, der Abkürzung für „Light Detection and Ranging“, existiert gar kein deutscher Begriff. Die in diesem Buch verwendeten englischen Begriffe und Bezeichnungen werden jeweils erläutert, und umgekehrt werden, wenn deutsche Begriffe Verwendung finden, auch die englischen Bezeichnungen genannt um das Lesen von Originalliteratur zu erleichtern.

Eine gewisse sprachliche Problematik ist bei den Bezeichnungen der Typen der in der Satellitenmeteorologie verwendeten Messinstrumente gegeben. Hier ist die Terminologie keineswegs einheitlich. Dies liegt daran, dass verschiedene Fernerkundungssysteme von verschiedenen Gruppen entwickelt wurden, die ihnen jeweils passend erscheinende Namen gaben. Diese Namen blieben erhalten, da nie ein tatsächlicher Bedarf für eine Vereinheitlichung bestand. Unterschiede im Sprachgebrauch gibt es aber auch bei der Bezeichnung von Spektralbereichen und bei den Symbolen, die für Größen zur Beschreibung des Strahlungsfelds oder optischer Parameter verwendet werden.

Verschiedene Sensoren messen in verschiedenen Wellenlängenbereichen. Diese sogenannten „Kanäle“ hatten, speziell in der Anfangszeit der Satellitenmeteorologie, eine gewisse spektrale Breite, um genügend Energie auf den Detektor zu bringen. Innerhalb des Intervalls des Kanals konnte die Empfindlichkeit spektral durchaus variabel sein. Damit wurden die Kanäle üblicherweise mit einem Namen bezeichnet, der die generelle spektrale Lage charakterisierte – wie VIS, WV und IR bei Meteosat –, und es wurde keine spezifische Wellenlänge oder ein Wellenlängenintervall zur Kennzeichnung angegeben. Mit dem Namen des Kanals waren alle seine relevanten Eigenschaften erfasst.

Auch die Bezeichnungen für verschiedene spektrale Bereiche der elektromagnetischen Strahlung sind nicht einheitlich, da auch sie historisch durch die Anwender geprägt sind. Dies gilt besonders für den Bereich der „infraroten Strahlung“, der prinzipiell alle Strahlung umfasst, deren Wellenlängen größer sind als die des roten Lichtes. Hier ist die Wortvielfalt groß, auch zur Präzisierung der Spektralbereiche, und gleiche Bezeichnungen bei verschiedenen Radiometern bedeuten nicht immer das Gleiche (Kap. 2.1.1). Zusätzlich gilt, dass in verschiedenen Spektralbereichen unterschiedliche Größen zur Beschreibung der Strahlung verwendet werden. So erfolgt deren Charakterisierung im Bereich des sichtbaren Lichts durch die Angabe von Wellenlängen, während bei Mikrowellen Frequenzen angegeben werden, da hier die Namensgebung aus der Radartechnik stammt. Auch auf diese Thematik wird in Kapitel 2.1.1 näher eingegangen.

Die gewählte Bezeichnung für den Typ eines Messinstruments auf einem Satelliten resultiert in den meisten Fällen aus der Betonung des wichtigsten Aspekts seiner Anwendung. Unabhängig vom Typ ist der eigentliche Name eines Instruments oder Satelliten individuell, wobei häufig ein Akronym verwendet wird.

Eine neutrale Bezeichnung für einen Instrumententyp, die immer verwendet werden kann, ist „Sensor“, aber dieser Begriff gilt auch für akustische Fernerkundung oder andere Möglichkeiten einer Signalbestimmung außerhalb der elektromagnetischen Strahlung. Da in diesem Buch nur die Fernerkundung mittels elektromagnetischer Strahlung behandelt wird, ist „Radiometer“ eine neutrale Bezeichnung, die eigentlich immer passt, sich aber für Geräte zur passiven Messung von Strahlung eingebürgert hat. Geht es primär um die Erfassung von räumlicher Information bzw. Bildinformation, die durch Abtasten eines größeren Areals gewonnen wird, wird von „Imager“ oder auch vom „Abbildenden Radiometer“ oder „Scanning Radiometer“ gesprochen. Die Bezeichnungen „Scanning Imaging Spectrometer“ und „Abbildendes Spektrometer“ kommen auch vor, wobei die Benennung „Spektrometer“ darauf hinweist, dass die Bestimmung von spektraler Information ein ebenso wichtiges Ziel ist wie die flächenhafte Erfassung. Für Radiometer mit Betonung der spektralen Information sind die Bezeichnungen „Spektrometer“ oder auch „Spektroradiometer“ in Gebrauch und „Sounder“ steht für ein Radiometer, das geeignet ist, die Höhenverteilung einer Atmosphäreneigenschaft zu bestimmen. Da alle Sensoren verschiedene Aspekte abdecken und sowohl räumliche als auch spektrale Information liefern oder auch noch Polarisation messen, ist es sinnvoller, einen Sensor gar nicht nach seinem Typ, sondern direkt mit seinem Eigennamen zu benennen. Die individuellen Eigenschaften des Sensors lassen sich dann separaten Beschreibungen entnehmen, wie sie etwa im von CEOS und ESA im Internet publizierten “Earth Observing Handbook” zu finden sind.

Da bei den aktiven Methoden die zur Messung verwendete Strahlung am Satelliten erzeugt wird, sind die Geräte mehr als ein Radiometer, das heißt mehr als Geräte, die Strahlung nur messen. Hier ist deshalb der allgemeinere Begriff „Messsystem“ angemessen, aber in der Praxis werden für diese Geräte gleich die den Wellenlängenbereich kennzeichnenden Begriffe „Lidar“ und „Radar“ verwendet. Auch hier gilt, dass die dominierende Messaufgabe als Typenbezeichnung benutzt wird. So werden Sensoren, die die Rückstreuung von Oberflächen mittels Mikrowellen messen, als „Scatterometer“ bezeichnet. „Altimeter“ bestimmen die Höhe über Grund, und auch der Begriff „Abbildendes Radar“ kommt vor.

Bei Satelliten, die nur ein Radiometer tragen, steht häufig ein Name synonym sowohl für das Radiometer als auch für den Satellit. Bei Satelliten mit mehreren Sensoren ist es klar, dass der Satellit Träger ist und die verschiedenen Sensoren jeweils eigene Namen haben.

Ein weiterer Aspekt sprachlicher Unterschiede sind die Symbole, die von verschiedenen Gruppen für bestimmte Strahlungsgrößen verwendet werden. So steht bei Lidar-Anwendungen α für den Extinktionskoeffizienten, während hierfür bei Nutzern passiver Radiometer σ_ext verwendet wird. Bei dieser Gruppe steht α für den Ångstrom-Parameter, der die Änderung von Strahlungsgrößen mit der Wellenlänge beschreibt. Der Buchstabe τ wird manchmal für die Transmission verwendet, aber auch für die sogenannte optische Dicke. Und für die Frequenz steht in der DIN der Buchstabe f, während Physiker hierfür üblicherweise das griechische ν benutzen, wie Einstein in seinem berühmten Äquivalenzgesetz (Gl. 2.1).

In den verschiedenen Disziplinen werden Symbole also verschieden benutzt. Aus diesem Grund macht es auch wenig Sinn, in diesem Buch eine komplette Vereinheitlichung der Symbolik vorzunehmen, wie es üblicherweise von Lehrbüchern erwartet wird. Der Leser wird die passende Verwendung der Symbole den jeweiligen Anwendungskapiteln entnehmen können.

1.3 Grundlagen

Die Satellitenmeteorologie gehört zur meteorologischen Fernerkundung. Bei der Fernerkundung werden Informationen über ein Objekt gewonnen, ohne mit diesem direkt in Kontakt zu stehen, im Gegensatz zu In-situ-Verfahren. Nach dieser allgemeinen Definition handelt es sich auch bei menschlichen Wahrnehmungen wie dem Sehen einer Wolke oder dem Hören des Donners um Fernerkundung. In diesem Buch ist die Betrachtung meteorologischer Fernerkundung jedoch beschränkt auf satellitengestützte Messung von elektromagnetischer Strahlung zur Untersuchung meteorologisch relevanter Atmosphären- und Oberflächeneigenschaften der Erde.

1.3.1 Vorteile der Satellitenmeteorologie

Speziell in der Meteorologie ist die Fernerkundung wichtig, da hier die interessierenden Objekte meist nicht direkt zugänglich sind, wie Wolken, Staubwolken oder Spurengaskonzentrationen in der Stratosphäre. Weiter haben meteorologische Systeme oft eine große Ausdehnung, sodass deren Zusammenhang erst aus großer Entfernung sichtbar wird. Dies gilt zum Beispiel für die Erkennung der Wolkenspiralen von Tiefdruckgebieten, die von Satelliten aus vollständig als Wetterfronten erfasst werden können. Ein weiterer Vorteil der Fernerkundung mittels Satelliten ist die Möglichkeit, in kurzer Zeit mit einem einzigen Gerät Information von verschiedenen Orten zu erhalten, global und zugleich relativ kontinuierlich. Die Möglichkeit, von einem Satelliten aus gleichzeitig mit verschiedenen Sensoren zu messen, erlaubt es zeitgleich unterschiedliche Parameter für einen Ort zu erkunden.

Neben der Möglichkeit der Untersuchung ganz verschiedener meteorologischer Größen muss auch der Aspekt der zeitlich dichten Überwachung als Vorteil der Satellitenmeteorologie genannt werden. Vom Satelliten aus wird, abhängig von der Flugbahn, dieselbe Größe am selben Ort mit Abständen von fünf Minuten bis hin zu einigen Tagen gemessen (Kap. 4). Dies erlaubt sowohl die Windbestimmung aus der Verlagerung von Wolken als auch die Verfolgung anderer bewegter Objekte wie Staubwolken oder Eisschollen. Satelliten und Sensoren, die ihre Messaufgabe wegen ihres Alters nicht mehr erfüllen, werden in der Regel durch adäquate neue Satelliten ersetzt. Das ermöglicht langfristige Messungen über viele Jahre hinweg und damit die Überwachung des Klimas und die Entdeckung von Änderungen und Trends.

Schließlich hat die Satellitenmeteorologie den Vorzug, dass die finalen Kosten für die einzelne Messung nicht hoch sind, verglichen mit bodengebundenen Messungen für ein größeres Gebiet und über einen längeren Zeitraum. Dies gilt trotz der großen Summen, die für einen weltraumtauglichen Sensor und den Raketenstart aufgebracht werden müssen.

Prinzipiell ist für viele der in den folgenden Kapiteln beschriebenen Anwendungen die Messung der interessierenden meteorologischen Größe auch vom Boden aus möglich, aber eben nur in Regionen, wo das Messnetz dicht und gut ausgebaut ist, und unter Beschränkung auf die erdgebundene Perspektive. Dabei werden auch für die Messungen vom Boden aus durchaus Fernerkundungsmethoden eingesetzt (z. B. Sonnenfotometer, Aerosollidar). Aber speziell bei der Nutzung von Methoden, die aufwendig und kostenintensiv sind, ist das Bodenmessnetz auf die Industriestaaten beschränkt. Weiter ist klar, dass für die Ozeane, Wüsten und Polargebiete, die mehr als zwei Drittel der Erde ausmachen, kaum aktuelle Information aus bodennahen Messnetzen verfügbar ist. Zudem verzeichnen die satellitenmeteorologische Messtechnik und die Dateninterpretation immer noch große Fortschritte, durch die die Ergebnisse verbessert und das Spektrum der zu messenden Größen erweitert werden.

Um einen meteorologischen Parameter zeitlich und räumlich relativ dicht zu erfassen kann in der Satellitenmeteorologie ein Instrument für die ganze Erde verwendet werden. Das hat den Vorteil, dass nicht, wie dies bei einem Bodenmessnetz der Fall ist, die Ergebnisse verschiedener Instrumente aneinander angepasst werden müssen.

Beschränkungen der Satellitenmeteorologie bestehen darin, dass manche Größen nur ungenau und andere nur indirekt bestimmt werden können. Da die Möglichkeiten der Satellitenmeteorologie aber so vielfältig und umfassend sind, überwiegen deren Vorteile deutlich.

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