style="font-size:15px;"> Je mehr unabhängige Information zur Verfügung steht, desto genauer kann der gesuchte Parameter bestimmt werden und desto besser kann die Unsicherheit durch die nicht genau bekannten Störgrößen reduziert werden.
Eine weitere wichtige Zusatzinformation bietet die Möglichkeit, Fernerkundung nicht nur passiv durch Messung der von Sonne und Erde stammenden Strahlung zu betreiben, sondern auch aktiv, das heißt, zur Fernerkundung Strahlung zu verwenden, die am Satelliten selbst erzeugt wird. Ein anderes Beispiel für die Verbesserung der zu gewinnenden Informationen ist die gleichzeitige Beobachtung eines Areals mit einem Radiometer mit spektral hoher und räumlich schlechter Auflösung und mit einem zweiten, mit räumlich hoher aber spektral schlechter Auflösung. So kann aus dem räumlich hoch aufgelösten Bild die Bewölkung ermittelt werden, und die spektral hoch aufgelöste Information kann benutzt werden, um auch in bewölkten Bildpunkten Atmosphäreneigenschaften zu bestimmen. Die nahe liegende Frage, warum nicht gleich sowohl räumlich als auch spektral hoch aufgelöst gemessen wird, beantwortet sich mit der dann zu geringen Energie der einzelnen Messgrößen (Kap. 4.3.2), was dazu führen würde, dass die gesuchte Information im Detektorrauschen untergeht.
Bei manchen Fragen ist es auch möglich, zusätzliche Vorabinformation hinzuzuziehen, die nicht aus Satellitenmessungen stammt. Dies kann grundlegende geographische Information sein, wie die Kenntnis von Wasser oder Land als untere Randbedingung, oder das Ergebnis der Modellierung eines meteorologischen Parameters. Beispielsweise kann die Höhenverteilung eines Spurengases, die mittels eines Modells vorhergesagt wurde, durch die Fernerkundungsinformation an den tatsächlichen aktuellen Zustand adaptiert werden. Bei komplexen Phänomenen, wo nicht alle Störparameter bekannt sind, ist es manchmal möglich, einen Invertierungsalgorithmus durch den Vergleich von Satellitendaten mit unabhängig bestimmten Werten des gesuchten Parameters zu „trainieren“. Hierzu werden verschiedene Werte des gesuchten Parameters, zum Beispiel bestimmt aus Bodenmessungen, mit den Messwerten am Satelliten verglichen und nachfolgend genutzt, um die Konstanten zu optimieren, die in dem mittels Sensitivitätsstudien ermittelten Algorithmus den Zusammenhang beschreiben.
1.3.3 Kalibration und Validation
Satellitenmeteorologisch erzielte Ergebnisse können, wie jede Messung, fehlerbehaftet sein. Fehler können aus unsicheren Invertierungsalgorithmen resultieren oder aus solchen, die für spezielle Bedingungen optimiert sind aber für andere Bedingungen nicht gut passen. Falsche Ergebnisse können aber auch aus einer ungenauen oder falschen Kalibration der Sensoren resultieren.
Eine solche Kalibration ist die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen der vom Detektor abgegebenen Spannung, die als Signal zur Erde gefunkt wird, und der sie verursachenden Strahldichte am Satelliten, die gemessen werden soll. In das Ergebnis der Kalibration gehen alle Eigenschaften des optischen Wegs im Radiometer ein, von der Empfangsoptik über Spiegel, Strahlteiler und Filter 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),
