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