meteorologisches Satellitensystem

Als Beitrag zur Welt-Wetterwacht (World Weather Watch, WWW) und zum Klimaforschungsprogramm (World Climate Research Programme, WCRP) von der Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organization, WMO) initiiertes Satellitensystem. Als solches ist es die weltraumgestützte Komponente des Globalen Klimabeobachtungssystems (Global Climate Observing System, GCOS) der WMO.

Wetterstationen sind nicht gleichmäßig über die Erde verteilt und liefern nicht immer Daten in kurzen Zeitabständen. Insbesondere über Meeresgebieten und Wüstenregionen werden wenig bis gar keine Messwerte von meteorologischen Größen erfasst. Diese Beobachtungslücken lassen sich mit Hilfe von Satellitendaten verkleinern oder sogar schließen.

Eine weitere Qualitätssteigerung in der NWV wird durch die Beobachtungen des in 800-900 km Höhe polnah umlaufenden Satelliten METOP (EUMETSAT) erzielt. Dieser liefert unter anderem Daten (Strahldichten oder abgeleitete Vertikalprofile von Temperatur und Feuchte) für die NWV. Aber auch zur Überwachung von Ozon und anderen Spurengasen, für das Klimamonitoring und weitere Bereiche stellt METOP wertvolle Informationen zur Verfügung.

Die weltraumgestützte Komponente des GCOS besteht aus zwei Teilsystemen, nämlich fünf geostationären und mindestens zwei polarumlaufenden Wettersatelliten und wird seit 1972 von der Koordinierungsgruppe für Wettersatelliten (Coordination Group for Meteorological Satellites, CGMS) abgestimmt. Die CGMS ist ein Zusammenschluss der einzelnen Betreiberorganisationen und der WMO. Das System ist derart ausgelegt, dass eine kontinuierliche und global lückenlose Erdbeobachtung gewährleistet ist.

Bis 1960 wurden Wetterbeobachtungen weltweit nur von Boden-, Flugzeug- und Ballon-basierten Systemen durchgeführt. Dies änderte sich mit dem Start des ersten amerikanischen Wettersatelliten TIROS am 1.4.1960. TIROS war ein experimenteller Satellit auf polarer Umlaufbahn, der erstmals in regelmäßigen Abständen großräumige Bilder von den irdischen Wolken- und Wettersystemen lieferte. Europas erster Beitrag zu den Weltraum-basierten Wetterbeobachtungssystemen begann mit dem Start von Meteosat-1 am 23. November 1977. Dieser Satellit war der erste auf einem geostationären Orbit, der einen Sensor im 6,3 µm-Band zur Messung des Wasserdampfes trug. Einer Einschätzung des European Centre for Medium Weather Forecasts (ECMWF) nach, gelten heutzutage die Informationen der Satellitenbeobachtungen als wesentlichster Teil des globalen Beobachtungssystems für moderne numerische Wettervorhersage. Wie o.g. setzt die operationelle Meteorologie typischerweise zwei Typen von Satelliten zur Beschaffung der nötigen Informationen ein. Sie unterscheiden sich vor allem in Bezug auf ihre Umlaufbahncharakteristik:

Die geostationären Satelliten (z.B. METEOSAT, GOES ) sind scheinbar ortsfest in etwa 35.800 km über dem Äquator angeordnet, sodass mit einem System von 5 Satelliten die ganze Erde bis etwa 70° N/S alle 15-30 Minuten abgetastet werden kann. In Animationsmodi liefern die aus den Daten erzeugten Bilder Eindrücke von andauernden Veränderungen atmosphärischer Prozesse. Der über dem Schnittpunkt von Nullmeridian und Äquator befindliche METEOSAT 10 der EUMETSAT beispielsweise tastet alle 15 Minuten die Erdscheibe in elf Spektralbereichen und im sichtbaren Bereich ab.

Die Messungen, flächendeckend und mit hoher zeitlicher Wiederholrate, haben großen Nutzen für Wetterüberwachung und -vorhersage. Die Kombination mehrerer Kanäle erlaubt die Herleitung verschiedenster Parameter zur Analyse der Wettersituationen. Zu den Parametern gehören unter anderen Wolkenbedeckung und Wolkenart, Temperaturen von Erd- und Wolkenoberflächen sowie Feuchteparameter. Gerade in Verbindung mit anderen Daten wie Synop-, Radiosonden-, Niederschlagsradarbeobachtungen oder Blitzortungsdaten und der Betrachtung von Bildfolgen lassen sich Aussagen über die kurzfristige Wetterentwicklung der nächsten 1-2 Stunden machen. Aus der Verlagerung von Wolken- und Feuchtestrukturen zwischen aufeinander folgenden Bildern können Windvektoren abgeleitet werden, die neben anderen Parametern Eingang in die numerische Wettervorhersage (NWV) finden und dort zu einer Qualitätssteigerung führen.

Aufgrund der Erdkrümmung ist allerdings nur ein Teil der Erdkugel bis etwa 60° N/S mit ausreichender Genauigkeit abbildbar. Die große Höhe bedingt eine relativ geringe räumliche Auflösung, und sie schließt den Einsatz von aktiven Instrumenten wie z.B. Radar aus.

Da die für das Wettergeschehen wichtigen Polargebiete somit aus dem geostationären Orbit nicht eingesehen werden können, wird das System durch polarumlaufende Satelliten z.B. TIROS-N/NOAA ergänzt. Jeder dieser sonnensynchronen, polarumlaufenden Satelliten (Höhe ca. 850 km) erfasst dagegen zweimal pro Tag die gesamte Erde in einzelnen, zeitlich versetzten Beobachtungsstreifen, die im Falle der NOAA-Satelliten eine Breite von ca. 3.000 km haben. Diese in relativ geringer Höhe fliegenden Satelliten liefern Bilder in hoher räumlicher Auflösung.

Eine weitere Qualitätssteigerung in der NWV wird durch die Beobachtungen des in 800-900 km Höhe polnah umlaufenden Satelliten METOP (EUMETSAT) erzielt. Dieser liefert unter anderem Daten (Strahldichten oder abgeleitete Vertikalprofile von Temperatur und Feuchte) für die NWV. Aber auch zur Überwachung von Ozon und anderen Spurengasen, für das Klimamonitoring und weitere Bereiche stellt METOP wertvolle Informationen zur Verfügung.

Schema des weltraumbasierten Teils des Global Observing System der WMO Dargestellt sind die typischen Umlaufbahnen von operationellen Wettersatelliten, insbesondere die mit geostationärem Orbit und mit sonnensynchronem, polarem Orbit. Quelle: CEOS

Beide Satellitensysteme liefern räumlich hoch aufgelöste Daten in verschiedenen Banden des sichtbaren und infraroten Spektrums und verfügen teilweise über atmosphärische Sounder, z.B. TOVS (TIROS), mit denen Vertikalprofile von Lufttemperatur und Luftfeuchte abgeleitet werden können. Die Wettersatelliten des globalen Beobachtungsnetzes dienen primär zur Verbesserung der Kurzfrist-Wettervorhersage (nowcasting). Regelmäßig abgeleitete Produkte sind u.a. Meeresoberflächentemperaturen (SST, Sea Surface Temperatures), die aus Wolkenbewegungen extrahierten Windfelder (CMW, Cloud Motion Winds,) sowie der Bedeckungsgrad und die Wolkenart. Daneben bestehen weitere Systeme, die mit passiven oder aktiven Mikrowellenradiometern vor allem zur Erfassung von Niederschlagsfeldern eingesetzt werden. Beispiele dafür sind das DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) mit dem passiven SSM/I Sensor (Special Sensor Microwave/Imager) und TRMM (Radar-Niederschlagsmessung).

Die operationellen geostationären Satelliten sind: Meteosat, GOES, GMS sowie GOMS; die polarumlaufenden Satelliten sind stets zwei Satelliten der NOAA, Metop der ESA sowie METEOR oder FENGYUN.

Weitere Informationen:

• Links zu Meteorologie/Klimatologie und Fernerkundung
• Space and Climate Change (WMO)
• Satellites for climate services – Case studies for establishing an architecture for climate monitoring from space (WMO 2015)
• Monitoring Weather and Climate from Space (EUMETSAT 2015)
• OSCAR - Observing Systems Capability Analysis and Review Tool (WMO)
• WMO - Global Observing System
• Co-Ordination Group for Meteorological Satellites (WMO)
• WMO Space Programme (WMO)