Das Satellitenbild

Das weltweite Wettersatellitensystem besteht aus geostationären und polarumlaufenden Satelliten, die genaue Informationen über die Wetterlage geben können. Neben Bildern liefern diese Satelliten auch noch andere Messdaten und bilden eine wichtige Grundlage bei der Wettervorhersage. Im Gegensatz zum weitmaschigen Netz der Bodenstationen liefern Satelliten gleichmässig über die Erde verteilte Messwerte. Wie aber interpretiert man die Bilder aus dem All richtig?

Geostationäre Satelliten erlauben es, Bilder von der Erde zwischen zirka 80 Grad Nord und 80 Grad Süd in zeitlich dichter Abfolge zu erstellen und so die Entwicklung und Verlagerung bestimmter Wetterphänomene zu verfolgen. Diese Satelliten drehen sich mit der Erde und sind in zirka 36'000 km Höhe über einem Punkt am Äquator «verankert» (Abbildung 1). Wegen der grossen Distanz beträgt die räumliche Auflösung eines Pixels (Bildpunkt) 5x5 km. Dieser Wert wird mit zunehmendem Abstand vom Äquator grösser. Der geostationäre Satellit, der alle 30 Minuten ein Bild von Europa liefert, heisst Meteosat und wird von der Europäischen Meteorologischen Satelliten Organisation (Eumetsat) betrieben. Meteosat befindet sich über dem Schnittpunkt von Äquator und nulltem Längengrad.
Die polarumlaufenden Satelliten machen zusätzlich Bilder der Polarregionen. Da ihre Umlaufbahnen «nur» in etwa 850 km Höhe verlaufen, können sie Bilder in hoher räumlicher Auflösung erstellen, d.h. ein Pixel ist 1x1km gross. Der Satellit überfliegt jeden Ort der Erde täglich fast zur selben Lokalzeit. Während eines Umlaufs (Nordpol-Südpol-Nordpol) sieht der Satellit einen ungefähr 2600 km breiten Streifen der Erde. Beim nächsten Umlauf ist der Satellit etwas weiter westlich, da sich die Erde von West nach Ost unter dem Satelliten weitergedreht hat (Abbildung 2). Von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) werden zwei meteorologische polarumlaufende Satelliten betrieben. Durch die Überlappung der Streifen ist die Schweiz ungefähr sechs Mal pro Tag abgedeckt. Die zeitliche Auflösung ist im Vergleich zum geostationären Satelliten (48 Bilder pro Tag) gering. Aus diesem Grund können solche Satelliten Wolkenentwicklungen und Fronten nicht kontinuierlich verfolgen.
In der Wetteranalyse werden drei Arten von Satellitenbildern unterschieden: (1) VIS, Sichtbare (Visible), (2) IR, Infrarot und (3) WV, Wasserdampf (Water Vapor) Bilder.

Abb. 1: Geostationäre Satelliten befinden sich an einem fixen Ort über der Erdkugel, drehen sich mit der Erde und sehen immer den gleichen Ausschnitt der Erdoberfläche.	Abb. 2: Polarumlaufende Satelliten drehen sich in ca. 850 km Höhe ca. alle 110 Minuten ein Mal um die Erde und bewegen sich mit der Sonne von Osten nach Westen.	Abb. 3: IR-Bild vom 14. Dezember 1986, 16 Uhr UTC. Ausgeprägte Zyklone mit markanter Warm- und Kaltfront.
Abb. 4: Bodenwetterkarte vom 14. Dezember 1986, 18 Uhr UTC.	Abb. 5: VIS-Bild.	Abb. 6: IR-Bild.

VIS-Bild
Im VIS-Bild wird die sichtbare Sonnenstrahlung registriert, die an Wolken oder an der Erdoberfläche reflektiert wird. Die Intensität der reflektierten Strahlung wird vom Satelliten gemessen. Die unterschiedlichen Grauschattierungen im VIS-Bild sind ein Mass für dieses Reflexionsvermögen. Dicke Wolken, das heisst Wolken mit einer grossen vertikalen Ausdehnung, reflektieren sehr viel Sonnenstrahlung und erscheinen daher im VIS-Bild weiss. Dünne Wolken, z.B. Cirren, reflektieren deutlich weniger Sonnenstrahlung und erscheinen im VIS-Bild grau. Land und Wasser haben ein noch geringeres Reflexionsvermögen und erscheinen daher im VIS-Bild dunkel, das heisst schwarz bis grau.

IR-Bild
Diese Bilder geben Strahlungsintensitäten im thermalen infraroten Bereich wieder. Abgebildet wird Wärmestrahlung, die von der Erdoberfläche und von Wolken ausgesendet wird. Sie sind deshalb Tag und Nacht verfügbar. Im Prinzip handelt es sich um eine indirekte Temperaturmessung. Es gilt: Je kälter die Strahlungsquelle, um so heller die Graustufe im IR-Bild. Da die Temperatur mit zunehmender Höhe abnimmt, sind Wolken in grossen Höhen kalt und erscheinen im IR-Bild weiss. Im Gegensatz zum VIS-Bild sind Cirren im IR-Bild hellgrau bis weiss. Die Erd- und Meeresoberflächen sind noch wärmer und erscheinen daher im IR-Bild dunkelgrau bis schwarz. Abbildung 3 zeigt das IR-Bild eines stark ausgeprägten Tiefdruckgebietes über dem Atlantik mit Zentrum bei D. Abbildung 4 enthält die Wetterkarte zum (fast) gleichen Zeitpunkt. Deutlich zu erkennen sind die bis in grosse Höhe reichenden Stratuswolken der Warmfront und dahinter die tiefere Wolkenobergrenze der Kaltfront (F). Bei U sieht man einerseits die Grenze zwischen zwei unterschiedlich hohen Stratuswolken und andererseits die Grenze zwischen flächendeckender Warmluftbewölkung (Stratus) und zellenförmiger Kaltluftbewölkung (Cumulus).

WV-Bild
Misst ein Satellit Strahlung bei Wellenlängen zwischen 5.7 und 7.1 mm, ist dies ein Mass für den Wasserdampfgehalt zwischen 5 und 10 km über der Erde. Je feuchter diese Schicht ist, desto heller, je trockener, desto dunkler erscheint sie. Dabei muss berücksichtigt werden, dass über den Wasserdampfgehalt der darunter liegenden Atmosphäre nichts ausgesagt werden kann. Daher kommen diese Bilder in der Synoptischen Meteorologie praktisch nicht zum Einsatz.

Kombination von VIS- und IR-Bild
Der Vergleich der beiden Satellitenbildtypen liefert Hinweise zum Wolkentyp. Drei Beispiele mögen dies verdeutlichen und gleichzeitig als einfache Faustregel gelten. Folgende Fragen sollten dabei die Ausgangsbasis bilden:
VIS-Bild: Dünne oder dicke Wolke?
IR-Bild: Tiefe oder hohe Wolke?
Bei der Interpretation von Satellitenbildern muss man sich stets darüber im klaren sein, welches Bild man betrachtet und welche Informationen sich daraus ableiten lassen. Das IR-Bild ist zwar Tag und Nacht verfügbar, kann jedoch nicht verwendet werden, um die Dicke einer Wolke abzuschätzen. Es hilft Cirren zu orten, ist aber anspruchsvoll zu interpretieren, wenn man Nebel von der darunter liegenden Erdoberfläche unterscheiden möchte. Das VIS-Bild ist zwar nur tagsüber verfügbar, zeigt aber genau das, was wir sehen würden, wenn wir selber im All das Wettergeschehen mit den eigenen Augen verfolgen könnten.
VIS- und IR-Bilder dienen einerseits der Analyse des vergangenen Wetters. Andererseits sind sie aber auch ein wichtiges Hilfsmittel bei der Kurzfristprognose (6-12 Stunden), zum Beispiel bei der Vorhersage von Wolken und Niederschlag. Satellitenbilder veranschaulichen die dynamischen und physikalischen Prozesse in der Atmosphäre und helfen, diese zu verstehen. Durch das Zusammensetzen von aufeinanderfolgenden Bildern zu einem Film können unter anderem folgende Prozesse beobachtet werden:
(a) Entstehung, Bewegung und Auflösung von individuellen Wolkensystemen
(b) Geschwindigkeit der Prozesse
(c) Abkühlung von Wolkenoberflächen in Verbindung mit Tiefs und Gewittern
(d) Divergenz- und Konvergenzzonen
(e) Topographische Einflüsse auf Wolkengrenzen (Föhn)

Satellitenbildanalyse vom 12. März 2001
Dieses Satellitenbildpaar zeigt wie gut sich VIS- und IR-Bild ergänzen können. In Abbildung 5 ist das VIS Meteosatbild vom 12. März um 12:30 UTC gegeben. Die Meeresoberfläche reflektiert sehr wenig Sonnenstrahlung und erscheint daher dunkel. Die Landflächen reflektieren deutlich besser und sind etwas heller. Umgekehrt ist die Situation im IR-Bild vom (fast) gleichen Zeitpunkt (Abbildung 6): Am wärmsten sind die Landoberflächen über Nordafrika und Südeuropa, die auch die dunkelsten Bildbereiche darstellen. Kälter ist das Meer (heller) und noch kälter sind die Wolken (hellgrau bis weiss). Jetzt aber zur Wolkenanalyse: Das Wolkenband, das sich von Spanien bis zur Ostsee erstreckt, ist eine Kaltfront, die sich kurz vor der Schweiz befindet. Im Vorfeld dieser Front entsteht eine Föhnströmung. Das Föhnfenster im Lee der Alpen ist im VIS-Bild gut zu erkennen. Im IR-Bild erkennt man im gleichen Bereich Wolken. Es handelt sich hier um sehr hohe Wolken, die nicht von der absinkenden Luftströmung erfasst werden. Da diese hohe Wolkenschicht nur sehr dünn ist, ist sie nicht im VIS-Bild zu erkennen. Im nördlichen Teil vom Stiefel von Italien sind hingegen Wolken im VIS-Bild deutlich zu erkennen. Im IR-Bild erkennt man diese Wolken aber fast nicht. Hier muss es sich um tiefe Wolken, in diesem Fall um Nebel handeln. Erst wenn man die Adria überquert findet man in beiden Bildern keine Wolken mehr. Hier scheint dann wirklich die Sonne. Aber auch in der Schweiz wird es nicht mehr lange dauern, bis die Sonne wieder scheint, denn hinter der Kaltfront über Nordwestfrankreich und dem Ostatlantik erkennt man in beiden Bildern grössere Gebiete, die mit Cumuluswolken durchsetzt sind. Kalte Luft strömt hier von Nordwesten nach und Rückseitenwetter wird einsetzen. Wer den Blick noch weiter nach Westen wendet, erkennt westlich von Irland den nächsten Tiefdruckwirbel. Ob er die Schweiz streifen wird, kann ein einzelnes Satellitenbild nicht vorhersagen. Hier hilft manchmal der Satellitenfilm weiter, ansonsten muss man den Wettermodellen Glauben schenken.

Satellitenbilder vom Internet
Im Internet findet man eine Fülle an Satellitenbildern. Im Halbstundenrhythmus erhält man das neuste VIS- und IR-Bild von Meteosat. Ungefähr alle 6 Stunden werden die aktuellsten Bilder der NOAA Satelliten geladen. Hier kurz noch ein paar Adressen:
Für Meteosatbilder: http://www.ccc.nottingham.ac.uk/pub/sat-images.
Wer ein Archiv sucht, geht am besten nach Dundee: http://www.sat.dundee.ac.uk/pdus.html.
Die schönsten und schnellsten NOAA-Bilder kommen aus Tschechien: http://www.chmi.cz/meteo/sat/NOAA/prod/index.html.
Für Meteosatfilme lohnt sich der Blick nach Ulm: http://meteosat.e-technik.uni-ulm.de/meteosat/dynamic/index-movies.html.
Ein analysiertes IR-Bild mit Hoch und Tief und Fronten gibt’s unter: http://131.54.120.150/GifImages/metsatanal.gif.

Micha Schultze

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