Klimaforschung mit Satelliten Satellitendaten zum Sprechen bringen

Seit 20 Jahren arbeitet beim Deutschen Wetterdienst eine Gruppe von Expertinnen und Experten daran, das Klima mithilfe von Satellitendaten zu beobachten und Verän- derungen zu erfassen. Das Auswertezentrum für Satellitendaten zur Klimabeobach- tung, das so genannte Satellite Application Facility on Climate Monitoring, kurz CM SAF, stellt rund 3.500 Nutzern weltweit Datensätze zur Verfügung. Mit Hilfe dieser Da- ten können beispielsweise Photovoltaikanlagen besser geplant werden.

Offenbach, 27. Mai 2019 – Sie heißen CLARA, CLAAS oder SARAH – was in der Me- teorologie zunächst nach Namen von Hochs und Tiefs klingt, entpuppt sich bei näherer Betrachtung als eine große virtuelle Karteikarte, auf der schier unendlich viele Satelli- tendaten über einen festgelegten Zeitraum zu einem Datensatz für die Klimaforschung geformt werden. Geschrieben wird eine solche Karteikarte wie CLARA, CLAAS oder SARAH vom Satellite Application Facility on Climate Monitoring, kurz CM SAF. Dieses Auswertezentrum für Satellitendaten zur Klimabeobachtung ist beim Deutschen Wet- terdienst (DWD) in der Offenbacher Zentrale angesiedelt. Es ist eines von insgesamt acht solchen Zentren, die europaweit gemeinsam von EUMETSAT, der europäischen Organisation zur Nutzung meteorologischer Satelliten, und seinen Mitgliedern betrie- ben werden. Ihre Aufgaben: Satellitendaten so zu übersetzen und darzustellen, dass sie von Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft genutzt werden können.

Beim CM SAF geht es darum, das Klima der Erde mithilfe von Satellitendaten über einen möglichst langen Zeitraum zu erfassen und zu erforschen und dabei Verände- rungen aufzuzeigen. Dazu analysieren die CM SAF-Expertinnen und -Experten aus Belgien, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, den Niederlanden, Schweden und der Schweiz die Rohdaten von Satelliten und schauen sich dann insbe- sondere den Energie- und Wasserkreislauf der Atmosphäre an. Wasser stellt einen wesentlichen Bestandteil des Energiekreislaufes dar.

Rund 3.500 Kunden weltweit nutzen die kostenfreien Datensätze des CM SAF. Neben nationalen Wetterdiensten und internationalen Forschungseinrichtungen gehören auch Wirtschaftsunternehmen dazu wie Versicherungen und Prüforganisationen.

Solaratlas für Solarenergie In den Jahren 2015 und 2016 wurde für die drei baltischen Staaten sowie für Polen je ein Solaratlas veröffentlicht. Basis dieser Atlanten: der Datensatz SARAH des CM SAF. SARAH steht für „Solar Surface Radiation Data Set – Heliosat“ – es geht um die Sonnenstrahlung. Die Länder folgten damit dem Beispiel Spaniens, das 2012 erstmals auf der Basis von CM SAF-Daten einen Solaratlas publiziert hatte. SARAH reicht von Januar 1983 bis Dezember 2017 und deckt im Wesentlichen Europa und Afrika ab. In

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ihm sind Daten der geostationären Satelliten aus dem Meteosat-Programm von EUMETSAT verarbeitet worden. SARAH enthält Informationen unter anderem zur Sonnenscheindauer (Sunshine Duration, SDU), Globalstrahlung (Surface Incoming Shortwave Radiation, SIS) und direkten Sonnenstrahlung (Surface Incoming Direct Radiation, SID).

Die Strahlungsdaten von SARAH können nach unterschiedlichen zeitlichen und geo- grafischen Filtern ausgewertet werden. So kann nach Jahres-, Monats- oder Tagesmit- telwerten gefiltert oder können Anomalien bei den Strahlungswerten erkannt werden. Diese Satellitenbeobachtungen bieten zudem die Möglichkeit, die an meteorologischen Bodenstationen erhobenen Strahlungsdaten gegen zu prüfen. Die Strahlungsatlanten für die baltischen Staaten und Polen enthalten insgesamt über 5.000 Karten, auf denen zu sehen ist, wann an welchem Ort wie viel Strahlung auf der Erde ankam und welches Potenzial an Sonnenenergie sich daraus ergeben kann. Dies ist für die Planung von Gebäuden oder größeren Anlagen, um Solarenergie zu gewinnen, von besonderem Interesse. Durch die mittlerweile langen Zeitreihen können die Nutzer des Datensatzes mögliche Veränderungen deutlicher nachvollziehen.

In der Schweiz wurden beispielsweise, basierend auf den Auswertungsergebnissen des CM SAF, Strahlungsdaten direkt mit einzelnen Liegenschaften verknüpft, um zu entscheiden, ob und wo sich eine Solaranlage auf einem Hausdach lohnt.

Dem Beispiel Polens und der baltischen Staaten sind weitere Länder gefolgt. In der Zwischenzeit gibt es Solaratlanten für Ägypten, Kasachstan und Griechenland, die auf der Basis der CM SAF-Daten erstellt wurden.

Kombination von Satelliten- und Bodenstationsdaten Eine besondere Zusammenarbeit besteht zwischen dem CM SAF und dem ebenfalls beim DWD angesiedelten Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (WZN) der Welt- organisation für Meteorologie (WMO). Das WZN sammelt, analysiert und wertet seit inzwischen 30 Jahren Niederschlagsdaten von weltweit über 115.000 Beobachtungs- stellen an Land aus und stellt diese Analysen als so genannte gerasterte Datensätze zur Verfügung. Genutzt werden die Daten des WZN beispielsweise von der Ernäh- rungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen FAO für die Dürre- und Ertragsvorhersage. Auch das Internationale Hydrologische Programm der UNESCO nutzt die Daten, um den globalen Wasserhaushalt und die weltweiten Trinkwasserres- sourcen zu ermitteln.

CM SAF und WZN kombinierten ihre Niederschlagsdaten für das weltweite Klimamoni- toring. Dies bedeutet: Die Daten vom CM SAF zeigten den Niederschlag aus der Per- spektive des Satelliten, insbesondere den Niederschlag über den Ozeanen, während die Daten des WZN die Niederschlagswerte an Land darstellten. Als Ergebnis lieferten

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die beiden Einrichtungen einen globalen Datensatz, der die beiden unterschiedlichen Datenquellen kombiniert. Er leistet damit einen wesentlichen Beitrag für die Bewertung und Entwicklung mittelfristiger Klimavorhersagemodelle. Oder CM SAF und WZN er- stellten eine globale Karte der Niederschlagsextreme. Darin ist die Häufigkeitsvertei- lung von Starkregen verzeichnet. Treten in einem bestimmten Gebiet besonders häufig solche Niederschläge auf, können vor Ort Vorsorgemaßnahmen ergriffen werden. Bei- spielsweise können solche Daten bei der Planung von Kanalisation oder Rückhaltebe- cken berücksichtigt werden. Die Zusammenarbeit zwischen CM SAF und WZN soll weiter ausgebaut werden.

SAF: Netzwerk der Netzwerke Das Aufbauprinzip der verschiedenen SAF-Einheiten ist einfach: Einer der nationalen Wetterdienste aus den EUMETSAT-Mitgliedsstaaten übernimmt zu einem speziellen Thema die Federführung. Andere nationale Wetterdienste oder Institutionen arbeiten als wissenschaftliche Partner mit. Mit diesen Expertennetzwerken motivierte EUMETSAT in den 1990er Jahren seine beitragenden Mitgliedsländer, die Möglichkei- ten, die Satellitendaten für Meteorologie und Klimatologie bieten, deutlich auszuweiten und voranzubringen. So entstanden insgesamt acht SAF-Einheiten, ein Netzwerk der Netzwerke. Jedes SAF hat einen anderen Aufgabenschwerpunkt, nach dem es die Satellitendaten auswertet und diese Datensätze dann öffentlich zugänglich macht:

- Klimamonitoring (CM SAF): (DWD, Deutschland) - Hydrologie und Wassermanagement (H SAF): Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare (MeteoAM, Italien) - Monitoring von Ozon und chemischer Zusammensetzung der Atmosphäre (AC SAF): Finnish Meteorological Institute (FMI, Finnland); hier arbeitet der DWD als Part- ner mit. - Analyse der Landoberfläche (LSA SAF): Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA, Portugal) - Unterstützung bei Kürzestfrist- und Kurzfristvorhersage (NWC SAF): Agen- cia Estatal de Meteorología (AEMET, Spanien) - Ozeane und Meereis: MeteoFrance (Frankreich) - Numerische Wettervorhersage: (Großbritannien); hier arbeitet der DWD als Partner mit. - Radio Okkultation für die Meteorologie: Danish Meteorological Institute (DMI, Dänemark)

Von der Skepsis zur Überzeugung Im Jahr 1999 startete das CM SAF zunächst mit einer fünfjährigen Projektphase beim DWD, es folgte bis 2007 ein erster operationeller Zeitraum. Seither arbeitet das CM SAF in einem jeweils fünfjährigen Rhythmus, in dem es seine gewonnenen Erkenntnis- se weiterentwickelt und neue Forschungen vorantreibt, die zu seinem Aufgaben- schwerpunkt, der satellitengestützten Klimabeobachtung, gehören. Diese fünf Jahre

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werden Continuous Development and Operations Phase (CDOP) genannt. Hier zeigt sich, dass es nicht nur um die kontinuierliche Weiterentwicklung und am Ende den operationellen Betrieb geht, sondern dass dabei auch immer der neueste Stand der Technik und Wissenschaft angewandt wird. Derzeit arbeitet das CM SAF in der dritten CDOP-Phase, die bis zum Februar 2022 andauert. CDOP4 (2022–2027) wird bereits jetzt vorbereitet. Als Partner wirken beim CM SAF mit: Centre National de la Recher- che Scientifique (CNRS, Frankreich), Finnish Meteorological Institute (FMI), Royal Netherlands Meteorological Institut (KNMI), Met Office United Kingdom (UKMO), Royal Meteorological Institute of Belgium (RMI), Federal Office of Meteorology and Climatol- ogy MeteoSwiss (Schweiz), Swedish Meteorological Hydrological Institute (SMHI).

„Als wir mit dem CM SAF im Jahr 1999 an den Start gingen, war ich schon skeptisch, was wir aus den Satellitendaten lesen und wie wir damit das Klima und seine Verände- rung einschätzen können“, berichtet Martin Werscheck, der beim DWD das CM SAF leitet. 20 Jahre später ist von Skepsis keine Spur mehr, herrscht stattdessen Euphorie, welche Möglichkeiten die Wettersatelliten noch eröffnen. „In diesen zwei Jahrzehnten wurden die SAFs zu Erfolgsmodellen. Wir haben gezeigt, welche enormen Vorteile Satellitendaten haben: Da ist zum einen die räumliche Abdeckung der gesamten Erd- oberfläche, die sonst mit keinem anderen Erdbeobachtungssystem möglich ist. Zum anderen die hohe zeitliche Auflösung, dass wir teilweise alle fünf Minuten neue Daten erhalten. Auch das schaffen flächendeckend nur Satelliten. Und wir sind noch lange nicht am Ende der Möglichkeiten.“

Satelliten stehen für ein neues Zeitalter Der 3. März 1966 läutete beim DWD in Offenbach ein neues Zeitalter ein: Erstmals wurden in der DWD-Zentrale Daten von Wettersatelliten empfangen. Drei Mal am Tag übertrug der Satellit ESSA 2 damals Informationen zu Wolkenstruktur, Druckzentren und Frontenbewegung. Heute kann die zeitliche Auflösung für Satellitendaten bei fünf Minuten liegen, zukünftig sogar bei zweieinhalb Minuten. Das Datenvolumen hat sich vervielfacht. Die meteorologischen Parameter, die über die Satellitendaten derzeit er- mittelt werden können, sind neben dem Aufbau der Atmosphäre unter anderem Tem- peratur- und Feuchteprofile, Wind, Eisverteilung, Höhe und Temperatur der Meeres- oberfläche, Schneebedeckung und Globalstrahlung.

ESSA 2 hat in der Zwischenzeit zahlreiche Nachfolger gefunden. Die Zahl der Satelli- ten im Weltall steigt stetig, und mit ihnen das auf der Erde ankommende Datenvolu- men, das auch das CM SAF beim DWD nutzt. „Die Rohdaten, mit denen wir unsere Arbeit beginnen, stammen nicht nur von den EUMETSAT-Satelliten, sondern wir nut- zen auch die Informationen von US-amerikanischen oder chinesischen Wettersatelli- ten,“ erklärt Martin Werscheck. „Wenn die Rohdaten, sprich die schier endlosen Kolon- nen aus 01 01 bei uns ankommen, verfügen sie lediglich über einen Zeit- und Orts-

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stempel. Das heißt, wir wissen, zu welchem Zeitpunkt die Daten erhoben wurden und welchem Ort sie auf der Erde zuzuordnen sind. Hier beginnt nun unsere Arbeit, einen Algorithmus zu entwickeln, mit dem wir geophysikalische Größen daraus ableiten kön- nen. Im Grunde sind die Rohdaten wie eine Fremdsprache aus dem All, die wir mithilfe eines Instruments, das ist der Algorithmus, übersetzen, so dass sie überall für die Nut- zer der Daten verständlich sind und genutzt werden können.“ Die physikalischen Grö- ßen, die allein durch das CM SAF in Zeitreihen von teilweise über 30 Jahren zur Verfü- gung gestellt werden, sind beispielsweise Strahlung, Bedeckungsgrad, Wasserdampf, Temperatur, Wolkenober- und Wolkenuntergrenze, die optische Dicke von Wolken und Niederschlag.

Bis zu vier Jahre Von den ersten Arbeiten an den Rohdaten bis zur Veröffentlichung eines vollständig gerechneten Datensatzes können schon einmal vier Jahre vergehen. Viele Schritte sind dabei zu gehen. Das fängt bei den Nutzern an, die festlegen müssen, welche In- formationen in welcher Qualität sie aus den Satellitendaten benötigen. Diese Anforde- rungen werden von internationalen Experten nach dem Stand der Wissenschaft begut- achtet. Danach beginnt beim CM SAF die Arbeit, das heißt, die Entwicklung der Ver- fahren, mit deren Hilfe die Datensätze aus den Satelliteninformationen abgeleitet wer- den. In einem weiteren Prüfschritt wird begutachtet, ob die vorgesehenen Verfahren tatsächlich ausreichen und erwarten lassen, dass die Produkte den Anforderungen der Nutzer auch entsprechen werden. Erst danach beginnt die Erstellung der Datensätze. Sie ist besonders rechnerintensiv und erfordert einen Hochleistungsrechner. Das CM SAF nutzt dafür überwiegend den Rechner des Europäischen Zentrums für Mittelfristi- ge Wettervorhersage (EZMW) im englischen Reading.

Vor der Veröffentlichung des Datensatzes muss eine ausführliche Dokumentation er- stellt werden. Damit können die Nutzer nachvollziehen, wie der Datensatz entstanden ist und welche Informationen er für ihre Zwecke bietet. Das gesamte Paket wird dabei nochmals von einem Gutachtergremium auf Herz und Nieren geprüft.

Zurück zu CLARA, CLAAS und SARAH Bei CLARA handelt es sich um einen globalen Datensatz, der den Zeitraum von Januar 1982 bis Dezember 2015 abdeckt. Er gehört damit zu den längsten Zeitreihen und wer- tet die zugrundeliegenden Satellitendaten zu Wolken, Albedo (Rückstrahlung) und Strahlung aus. CLAAS und SARAH sind regionale Datensätze, die im Wesentlichen Europa und Afrika zeigen. Während bei CLAAS die Wolkeneigenschaften im Vorder- grund stehen, geht es bei SARAH, wie erwähnt, besonders um die Sonnenstrahlung.

Darüber hinaus gibt es weitere Datensätze, wie beispielsweise HOAPS – Hamburg Ocean Atmospheric Parameters and Fluxes from Satellite Data. HOAPS liefert Klimain-

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formationen unter anderem zu Niederschlag, Verdunstung und Wärmeströmen über eisfreien Bereichen der Ozeane. Der abgedeckte Zeitraum reicht von Juli 1987 bis De- zember 2014. Dieser Datensatz ist besonders für die Meeresforschung von Interesse.

Dialog mit den Nutzern Ein Geheimnis des Erfolgs für die vielfältige Nutzung der CM SAF-Daten liegt unter anderem im intensiven Dialog mit den Nutzern. Wie erwähnt, fließen in die jeweils nächste Entwicklungsphase die Anforderungen der Nutzer an die Weiter- oder Neu- entwicklung von Datensätzen ein. Kontinuierliche Trainings stehen ebenso auf dem Programm wie regelmäßiger Erfahrungsaustausch, um so die bestmögliche Nutzung der bereitgestellten Daten zu fördern.

Damit die weltweit stattfindenden Schulungen effektiv und zielgerichtet gestaltet sind, wurde im CM SAF ein Baukastensystem entwickelt. Dieses „Toolbox“ genannte In- strument führt die Nutzer in die praktische Auswertung der Datensätze ein. Mehr als 50 verschiedene Schlagwörter, Operatoren genannt, bieten die Möglichkeit, die Datensät- ze nach bestimmten Parametern zu filtern, zu analysieren und zu verarbeiten, je nach individuellen Bedürfnissen des Nutzers. Schließlich visualisiert die Toolbox die Auswer- tungen und Analysen. Auch hier stehen unterschiedliche Darstellungen zur Wahl.

Die Zukunft Ganz am Anfang der Zukunft steht zunächst der fünfte Nutzer-Workshop, der vom 3. bis 5. Juni 2019 in Mainz zum 20. Geburtstag des CM SAF stattfindet. Rund 130 Gäste aus gut 30 Ländern haben sich bereits angemeldet. Im Mittelpunkt der Veranstaltung stehen die unterschiedlichen Arbeitsgruppen. Hier werden sowohl die inhaltliche Inter- pretation der Satellitendaten als auch ihre Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.

Das Vokabular der Satelliten werde weiter anwachsen, ist sich Martin Werscheck si- cher. Das liegt zum einen an der zunehmenden Zahl der Wettersatelliten, aber auch daran, dass durch die technische Entwicklung mit mehr und besseren Sensoren die Parameter, die aus Satellitendaten abgeleitet werden können, sich vervielfachen. Die Zeitreihen werden damit länger, die zeitliche und räumliche Auflösung der Satellitenda- ten wird weiter gesteigert und der Umgang mit und das Know-how zu Satellitendaten wird ebenfalls zunehmen. Dies bedeutet für die Übersetzer beim CM SAF, dass sie zu ihren derzeitigen Übersetzungsinstrumenten weitere hinzufügen müssen, um die Spra- che der Satelliten auch weiterhin verständlich und nutzbar zu machen.

(27. Mai 2019)

Autorin Gertrud Nöth, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Deutscher Wetterdienst, Telefon: 0 69 / 8062 - 45 05, E-Mail: [email protected]

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Recherche-Material zum Feature:

- Informationen zum CM SAF beim Deutschen Wetterdienst: www.cmsaf.eu - Anmeldung zum Datenzugriff: www.cmsaf.eu/wui - CM SAF bei Twitter: @Climate_SAF - Beispielanwendungen: https://www.cmsaf.eu/EN/Outreach/Applications/Applications_node.html - Informationen zu EUMETSAT: www.eumetsat.int

Glossar für Abkürzungen:

- CDOP: Continuous Development and Operations Phase - CLAAS: Cloud Property Dataset using SEVIRI - CLARA: Cloud, Albedo and Radiation Dataset - CM SAF: Satellite Application Facility on Climate Monitoring - EUMETSAT: European Organisation for the Exploitation of Meteorological Sat- ellites - HOAPS: Hamburg Ocean Atmospheric Parameters and Fluxes from Satellite Data - SARAH: Surface Solar Radiation Data Set – Heliosat - SDU: Sunshine Duration - SID: Sunshine Incoming Direct Radiation - SIS: Sunshine Incoming Shortwave Radiation - WMO: World Meteorological Organization - WZN: Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie

Abbildungen zum Feature:

Abbildung 1: Die acht verschiedenen Auswertezentren für Satellitendaten unter dem Dach von EUMETSAT; (Quelle: DWD)

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Abbildung 2: Darstellung der Komponenten des Energie- und Wasserkreislaufs, die vom CM SAF abgedeckt werden. (Quelle: DWD)

Abbildung 3/Animierte Grafik: Animierte Grafik zur Sonnenscheindauer 2018: Das rechte Bild zeigt die Anomalie im Vergleich zum vieljährigen Mittel (1983-2017). Das linke Bild zeigt die über die jeweiligen Jahre akkumulierte Sonnenscheindauer: klimato- logisches Mittel (schwarze Linie); Werte für 2018 (rote Linie). Die Grafik basiert auf Auswertungen des Datensatzes SARAH. (Quelle: DWD)

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Abbildung 4: Der Index der einfachen mittleren Niederschlagsmenge gibt die durch- schnittliche Menge an Niederschlag für Tage an, an denen es regnet. Regentage sind definiert mit Niederschlagsmengen ab 1 l/qm pro Tag. Die Grafik zeigt die mittleren Niederschlagsmengen für den Zeitraum 1988-2008. Durch Monsunregen beeinflusste Gebiete in Indien und Südostasien stechen hier charakteristisch hervor. Die Daten ba- sieren auf Auswertungen des CM SAF und des Weltzentrums für Niederschlagsklima- tologie (WZN) beim DWD. (Quelle: DWD)

Abbildung 5: Die Grafik zeigt die am längsten andauernde zusammenhängende Tro- ckenperiode im Zeitraum 1988-2008. Trockene Tage sind definiert als Tage mit Nie- derschlagsmengen von weniger als 1 l/qm. Extreme Werte finden sich im Bereich der Ostsahara, wo es im betrachteten Zeitraum nicht einen einzigen Tag mit Niederschlag im Sinne der Definition gab. Die Daten basieren auf Auswertungen des CM SAF und des Weltzentrums für Niederschlagsklimatologie (WZN) beim DWD. (Quelle: DWD)

Diese Abbildungen bieten wir Ihnen als Anhang zu diesem Feature unter www.dwd.de/feature in einer druckbaren Auflösung an.

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