Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Niederschlag/Missionen

Teilprojekt Niederschlag

Startseite Einleitung Messmethoden VIS und IR Passive Mikrowellen Aktive Instrumente Kombinierte Techniken Die wichtigsten Satelliten Zwei bedeutende Missionen Probleme und Ausblick

Weitere Teilprojekte

Wettersatelliten Oberflächentemperaturen Vegetationsindizes Schnee Wolken

Nachfolgend sollen die aktuelle Mission Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) und die zukünftige Mission Global Precipitation Measurement (GPM), welche der Nachfolger von TRMM ist, etwas näher erläutert werden, da sie als bedeutend angesehen werden können.

Die Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM)

Das im Jahr 1997 gestartete Gemeinschaftsprojekt der japanischen und amerikanischen Raumfahrtgesellschaften hat das Ziel klimatologische Daten zum Niederschlag in den Tropen zu sammeln. Dabei wird sowohl die zeitliche als auch die räumliche Verteilung tropischer Niederschläge und Unwetter erfasst. Durch die Tropical Rainfall Measuring Mission wird eine der ersten Erhebungen von vierdimensional aufgelösten Niederschlags- und Wärmeumsatzdaten über Ozeanen und den Tropen durchgeführt. Der Satelliten beobachtet den Bereich zwischen dem 35° nördlicher und 35° südlicher Breite. Um ein Bild der gesamten beobachtbaren Region des TRMM Satelliten zu erhalten, braucht dieser ca. drei Tage. Der 650 Millionen Dollar teure Satellit der Tropical Rainfall Measuring Mission sollte nach seinem Start im November 1997, drei Jahre und zwei Monate betrieben werden.

Instrumente an Bord des TRMM Satelliten

Durch eine Reihe von Steuerungsmanövern wurde im Jahr 2001 die Umlaufbahn des Satelliten von 350 km auf 402 km über der Erdoberfläche erhöht, um die Mission weiterhin betreiben zu können. Mitte des Jahres 2005 wurden die Treibstoffreserven so knapp, dass ein kontrollierter Absturz zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr möglich gewesen wäre. Jedoch wurde entschieden den Satelliten weiterhin in seiner Erdumlaufbahn zu halten und ihn später unkontrolliert abstürzen zu lassen, um die wertvolle Datensammlung und die Unwettervorhersage nicht abbrechen zu müssen. Aktuell ist die Finanzierung und Fortführung des Projekts bis September 2009 geplant.

Das Ziel dieser Mission ist ein besseres Verständnis für Regeneigenschaften und deren Schwankungsbreite zu bekommen. Unklarheiten herrschen dabei:

• bei der Häufigkeitsverteilung von Regenereignissen und deren flächenhafter Deckung
• bei der Unterteilung in stratiforme und konvektive Niederschläge
• bei der vertikalen Aufteilung der Hydrometeore
• bei der zeitliche Verteilung von Starkniederschlägen, wobei die nächtliche Verstärkung konvektiver Zellen über dem Ozean und die Verstärkung durch Orographie und Land-See-Windsystemen am Tag, beobachtet werden
• Weiterhin ermöglicht der TRMM Satellit die Kartierung von Niederschlag in großen räumlichen und zeitlichen Auflösungen

In den nächsten Abschnitten werden die Messsensoren an Bord des Satelliten näher erklärt.

Datei:Messungen Auflösung.gif

TRMM-Messbereich bei 350 km Überflughöhe

Precipitation Radar (PR - Niederschlagsradar)

Dieses Gerät ist in der Lage dreidimensionale Bilder von Sturmstrukturen zu erstellen. Dabei werden die zeitliche und räumliche Verteilung des Niederschlags, die Art des Niederschlags, sowie die Höhe in der Schnee zu Regen schmilzt, gemessen. Die horizontale Auflösung am Erdboden beträgt 5 km mit einer Streifenbreite von 247 km (Überflughöhe: 402 km). Bis zu einer Höhe von 20 km über dem Erdboden kann das Niederschlagsradar vertikale Profile des Niederschlags aufnehmen. Es erkennt selbst geringe Niederschlagsintensitäten (bis zu 0,7 mm/h). Für die Entwicklung dieser Messsonden mussten zahlreiche technologische Herausforderungen gelöst werden, da es das erste Regenmessinstrument im Weltraum war. Ein Problem war die ausreichende Stromversorgung, damit das schwache Antwortecho empfangen werden kann. Ein anderes war die Erfassung hochaufgelöster dreidimensionaler Regenkarten während der kurzen Zeit in der der Satellit lokale Stürme überfliegt. Wegen der begrenzten Größe der Antenne im Weltraum, wurde eine hohe Radarfrequenz gewählt. Mit hoch entwickelten Signalverarbeitungstechniken und einer aktiv-phasigen Feldantenne (array antenna) konnte ein elektronisches und schnelles Abtasten des Radarstrahls erfolgen, während die Synchronisation der Radarimpulse weiterhin möglich war.

TRMM Microwave Imager (TMI)

Der TMI ist ein passiver Mikrowellen-Sensor, der in einem breiten Streifen unterhalb des Satelliten quantitative Informationen über den Niederschlag liefern soll. Der Sensor ist in der Lage die Niederschlagsintensität sowie die Wasserdampf- und Wolkenwassermenge in der Atmosphäre zu bestimmen. Dazu misst er die minütliche Menge der von der Erde und Erdatmosphäre emittierten Mikrowellenenergie. Der TMI misst die Strahlungsintensität auf fünf verschiedenen Frequenzen (10,7; 19,4; 21,3; 37; 85,5 GHz). Der Mikrowellen-Sensor kann einen 878 km großen Streifen auf der Erdoberfläche abtasten (Überflughöhe: 402 km). Die Ermittlung der Niederschlagsraten erfolgt mit Hilfe des Planck’schen Gesetzes. Dabei wird sich zu nutze gemacht, dass Wasserflächen nur ca. die Hälfte der vom Planck’schen Gesetz beschriebenen Mikrowellenstrahlung gegenüber Landoberflächen oder Regentropfen emittieren. Somit können Regenraten an Hand von Mikrowellen über Wasser ausreichend genau bestimmt werden. Über Land ist es dagegen ein wenig schwieriger die Regentropfen zu lokalisieren. Jedoch kann durch die Streuung der hochfrequenten Mikrowellen (85,5 GHz) an Eispartikeln, die in den meisten Regenwolken vorhanden sind, ein Kontrast der Regentropfen gegenüber der Oberfläche erkannt werden. Mit diesem Wissen kann der Niederschlag über Landoberflächen bestimmt werden.

Aufnahme von Hurrican Kathrina mit TRMM

Visible and Infrared Scanner (VIRS)

VIRS ist eines der drei Niederschlagsmessinstrumente an Bord des TRMM Satelliten und erfasst diesen indirekt. Es misst dafür die Erdabstrahlung in fünf verschiedenen spektralen Banden vom infraroten zum sichtbaren Bereich (0,63 bis zu 12 μm). Siehe VIS/IR-Methoden. Die empfangene Strahlungsintensität der verschiedenen spektralen Banden kann zur Bestimmung der Helligkeit und der Temperatur seiner Quelle dienen. Da kühle Temperaturen stärkere Intensitäten in kürzen Wellenlängen produzieren und wärmere eher in längeren Wellenlängen, kann die Oberfläche von Wolken gemessen werden. Diese ist je höher sie liegt, umso kühler. Dabei können die höchsten Wolken als niederschlagsergiebig interpretiert werden. Jedoch besteht dabei die Gefahr, dass nur Cirrus-Bewölkung erkannt wird, welche keinen Niederschlag verursacht. Meist wird jedoch im Rahmen der TRMM, die für die Tropen typische, kumulative Bewölkung aufgenommen. Um jedoch diese Verwechselung zu vermeiden, kann eine Technik, welche die beiden Infrarotkanäle 10,8 μm und 12 μm vergleicht, eingesetzt werden. Trotzdem haben Infrarottechnologien meist maßgebliche Fehler in der Voraussage unmittelbarer Niederschlagsereignisse. Dieses Messgerät gehört zu den wichtigsten Instrumenten, da es Niederschläge abgrenzen kann und Informationen und Standards für andere Satelliten, die bereits mit solch einem Sensor ausgerüstet sind, liefert. So wird gehofft das der Vergleich des Visible and Infrared Scanners mit dem TRMM Microwave Imager und dem Precipitation Radar neue Erkenntnisse für andere Infrarotgeräte, die bereits auf geostationären und polarumlaufenden Satelliten installiert sind, bringt. Die Messung erfolgt mittels eines rotierenden Spiegels der entlang der Bahn des TRMM einen 833 km breiten Bereich mit einer Auflösung von 2,4 km erfassen kann (Überflughöhe:402 km).

Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES)

Die von CERES ermittelten Daten sollen zur Charakterisierung des Energieaustausches zwischen der Sonne, dem Weltraum sowie der Erdatmosphäre, ihrer Oberfläche und den Wolken dienen. Dazu wird mit Hilfe dieses Systems die Energie an der Obergrenze der Atmosphäre und an der Erdoberfläche gemessen sowie Energielevel innerhalb der Atmosphäre geschätzt. Auch Wolkeneigenschaften, wie Höhe, Ausdehnung, Mächtigkeit und Partikelgröße, werden von CERES erfasst. Somit ist CERES ein Instrument um das Verständnis für energetische Prozesse innerhalb und am Rand der Atmosphäre zu verbessern sowie die Mechanismen des gesamten Klimasystems besser zu verstehen.

Lightning Imaging Sensor (LIS)

Dieser Sensor ist eine Kombination aus elektrischen und optischen Elementen und dient der Ortung von Blitzen (siehe: Nutzung der Blitzerkennung). Er kann einen Punkt auf der Erde oder eine Wolke für 80 Sekunden beobachten. Bereits diese Zeit ist ausreichend um eine Voraussage über das Anschwellen oder das Abschwächen eines Unwetters zu machen. Es werden sowohl tags- als auch nachtsüber Wolken-Erde-, Wolken-Wolken- und Blitze innerhalb einer Wolke und ihre Verteilung über dem Globus beobachtet. Mit Hilfe eines Echtzeitprozessors werden die Signale von Blitzen, die mit einem optischen Linsensystem aufgenommen wurden, extrahiert. Aufgezeichnet wird eine Schätzung der Stelle an welcher der Blitz aufgetreten ist, die Auftretenszeit sowie Helligkeit und Strahlungsenergie des Blitzes. Mit diesem System können 90 % aller auftretenden Blitze aufgenommen werden. Der Erkenntnisgewinn aus der Arbeit mit diesem Sensor ist hilfreich für die Entwicklung verbesserter Blitzsensoren die später auf geostationären Satelliten angebracht werden können. Diese sollen für die Vorhersage und Warnung vor Unwettern eingesetzt werden.

Durch die TRMM Mission konnten die Unsicherheiten bei der globalen Messung von Niederschlägen von 50 % auf 25 % herabgesetzt werden. Weiterhin wurde festgestellt das die schnelleren und stärkeren konvektiven Aufwinde über Land, im Vergleich derer über den Ozeanen, die Bildung kleinerer kontinentaler Unwetter mit häufigeren Blitzen begünstigen. Während bei konvektiven Stürmen über den Ozeanen gar keine Blitze aufgenommen wurden. Die Kalibrierung von Niederschlagsradarstationen auf dem Erdboden und anderer regenbeobachtender Satelliten wird mit TRMM-Daten durchgeführt, da diese sich als sehr genau herausgestellt haben.

Mission “Global Precipitation Measurement” (GPM)

Die internationale Mission “Global Precipitation Measurement” (GPM) ist der Nachfolger der Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). Im Gegensatz zum TRMM, welches nur die Niederschläge am Äquator misst, soll mit diesem Projekt auch die Erfassung der Niederschläge der höheren Breiten möglich werden. Dabei sollen vor allem neue Erkenntnisse einfließen, welche man durch TRMM gewonnen hat, um den Niederschlag noch besser messen zu können. Die Hauptziele der Mission sind eine höhere zeitliche und räumliche Auflösung der Niederschlagsereignisse. Dafür ist eine Überfliegung aller drei Stunden vorgesehen. Innerhalb dieses 3-Stunden-Taktes werden etwa 80% der Erdoberfläche abgedeckt. Außerdem wird GPM in der Lage sein Regenmengen von einem Viertel Millimeter pro Stunde bis zu 100 Millimeter pro Stunde zu erfassen. Zusätzlich ist eine Unterscheidung zwische Regen und Schnee und eine Abschätzung der Größe der Niederschlagspartikel möglich . Anhand dieser Informationen soll ein besseres Verständnis der Niederschlagsverteilung und der damit verbundenen physikalischen Prozesse errungen werden. Damit möchte man eine genauere Vorhersage der Niederschläge und des globalen Wasserkreislaufes erreichen . Zusätzlich werden durch die höhere Auflösung Vorhersagen von Hochwassereignissen und Erdrutschen möglich . Insgesamt können all die Informationen helfen die Klimaveränderungen besser zuverstehen und abzuschätzen. Geleitet wird die Mission GPM, welche insgesamt 1,1 Milliarden Dollar kosten soll , von der amerikanischen National Aeronautics and Space Administration ( NASA) und der Japanese Aerospace Exploration Agency ( JAXA). Als weitere Partner treten die NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), CNES (Centre National d’Etudes Spatiales), ISRO (Indian Space Research Organisation) und verschiedene Länder und deren Raumfahrtinstitutionen auf . Als Manager der Mission ist John Durning für alles verantwortlich .

Die Satelliten und Messgeräte der Mission GPM

Die Mission GPM selbst wird aus einer Satellitenkonstellation bestehen. Diese setzt sich aus einem Kernsatelliten und voraussichtlich acht weiteren, kleinen Begleitsatelliten zusammen.

Schematische Darstellung des Satellitensystems

Der Kernsatellit wird von der NASA und der JAXA sowie weiteren Partnern entwickelt und finanziert. Er wird über zwei verschiedene Niederschlagsmesssysteme verfügen. Dabei handelt es sich einerseits um ein Dual-Frequenz- Radar, welches als DPR (Dual-frequency Precipitation Radar) bezeichnet wird und zum anderen um ein hochauflösendes, passives Mikrowellen-Radiometer, der so genannte GPM Microwave Imager GMI . Das aktive Messverfahren DPR wird von JAXA in Zusammenarbeit mit der NICT (National Institute for the Information and Communications Technology) hergestellt . Es wird aus zwei unabhängig von einander arbeitenden Radar bestehen, welche in unterschiedlichen Wellenlängen des elektromagnetischen Sprektrums messen. Sie basieren auf dem Niederschlagsradar von TRMM, verfügen allerdings über neue Technologien, um in zusätzlichen Frequenzen Daten erfassen zu können. Das eine Radar wird Mikrowellen im Frequenzbereich von 13,6 GHz aussenden, das andere in einem Bereich von 35,55 GHz. Durch die Messungen in zwei verschiedenen Wellenlänge lassen sich Informationen über die Niederschlagsrate, die Größe der Niederschlagspartikel und die Wolkenart ableiten. Ebenso ist eine Bestimmung des Aggregatzustandes (flüssig oder fest) möglich. Das GMI wird von der NASA bereitgestellt. Gebaut wird es allerdings von der Ball Aerospace & Technology Corp. Es ist das passive Messsystem an Bord und wird eine Länge von 1,20 m haben. Mit einem Abstand des Kernsatelliten von 407 km über der Erdoberfläche wird es eine Auflösung von 32 km bis zu 4,4 km erreichen . Das GMI wird so konstruiert sein, dass gleichzeitige Messungen verschiedener Wellenlängen möglich sind. Dies ist besonders wichtig, da Wellenlängen unterschiedlicher Frequenzen von Regentropfen und Eispartikeln auch unterschiedlich gestreut und emittiert werden. Misst man diese Strahlung, können Informationen über die Niederschlagsrate, die vertikale Verteilung der Niederschläge in der Atmosphäre und ihre Intensität gewonnen werden. Unter anderem soll in den Mikrowellenfrequenzen von 10,7 GHz, 19,3 GHz, 21 GHz, 37 GHz und 89 GHz gemessen werden . Zusätzlich werden für wissenschaftliche Zwecke Hochfrequenzkanäle von 165 GHz und 183 GHz eingebauen. In diesem Bereich können leichte Niederschläge und Schnee erfasst werden, welche in den höheren Breiten häufiger vorkommen. Mit dem GMI können außer dem Niederschlag eine Reihe weiterer Parameter gemessen werden, wie z.B. der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre, die Temperaturverteilung, die Bodenfeuchte oder die Temperatur der Meeresoberfläche. Der Kernsatellit der GPM-Mission soll neben diesen beiden wichtigen Instrumenten die Aufgabe der Kalibrierung für die Begleitsatelliten übernehmen. Diese kleineren Satelliten werden von der NASA selbst bzw. verschiedenen Ländern und Organisationen, die sich an der Mission beteiligen, entwickelt und finanziert. Jeder einzelne Begleitsatellit hat seine eigene wissenschaftliche Aufgabe, wird aber hinsichtlich der Niederschlagserfassung den Kernsatelliten unterstützen. Dazu werden sie auf Umlaufbahnen mit verschiedenen Winkeln und Höhen die Erde umkreisen. Zusätzlich werden einige der Satelliten sonnensynchrone Erdumlaufbahnen haben, um eine 24-Stunden-Variation der Niederschläge in Abhängigkeit von Sonnenaufgang und Sonnenuntergang zu erfassen . Eine dieser beteiligten Organisationen ist die European Space Agency (ESA). Sie wird den kleinen Satelliten EGPM (European Contribution to Global Precipitation Measurement) zur Mission beitragen. EGPM wird auf einer sonnensychronen erdnahen Bahn die Erde umfliegen . Er wird wie auch die anderen kleinen Satelliten ein Niederschlagsradiometer an Bord haben, welches in vier verschiedenen Wellenlängen Daten aufzeichnet. Aus diesen Daten können Informationen zum Wasserdampfgehalt der Atmosphäre abgeleitet werden sowie zwischen flüssigem und festem Niederschlag unterschieden werden .

Aktueller Stand der Mission

Kernsatellit

Die gesamte Mission ist zurzeit (2007) in der Entwicklung. Ursprünglich sollte der Kernsatellit in diesem Jahr schon in die Umlaufbahn gebracht werden. Nach einigen Verzögerungen wird er nun aller Voraussicht nach Mitte 2013 gestartet. Die kleineren Begleitsatelliten sollen dann ein Jahr später folgen . Es wird aber versucht den Kernsatelliten so schnell wie möglich fertig zu stellen. Daher ist ein Einkauf des Satellitengehäuses nicht mehr auszuschließen. Eigentlich sollte der Satellit vom NASA Goddard Space Flight Center neu entwickelt werden und dabei fast vollständig aus einem sehr leichten und trotzdem robusten Verbundwerkstoff bestehen. Damit wäre der Kernsatellit der erste dieser Art gewesen . Dieses Projekt wird aber möglicherweise nicht umgesetzt werden. Als Startrampe ist das Tanegashima Space Center in Japan vorgesehen. Wenn die Satelliten im All sind, sollen sie mindestens drei Jahre aktiv sein. Man wird versuchen diesen Zeitraum bis auf fünf Jahre auszudehnen, um möglichst viele Daten und Forschungsergebnisse zu erhalten.

Die Validierung der Daten durch Bodenmessungen

Um die Richtigkeit bzw. Genauigkeit der gewonnenen Informationen zu überprüfen, sollen die von den Satelliten gemessenen Daten mit denen von verschiedenen Bodenstationen verglichen und validiert werden . Das Programm zur „Bodenvalidierung“ wird auch als GPM ground validation (GV) bezeichnet. Ziel des Projektes ist eine unabhängige Datengewinnung zur Evaluation hinsichtlich der Qualität der Niederschlagsdaten. Außerdem sollen auf diesem Wege systematische und zufällige Fehler entdeckt und herausgerechnet werden. Zusätzlich wird eine Verbesserung der Algorithmen angestrebt, mit deren Hilfe die von den Satelliten erfassten Daten in auswertbare Strukturen umgewandelt werden. Dies ist ein deutlicher Fortschritt im Vergleich zu früheren Missionen . Um die dafür notwendigen Bodenmessgeräte zu bestimmten, wurde das sogenannten Front Range Pilot Project (FRPP) im Mai und Juni 2004 durchgeführt. Dieses Projekt sollte die Frage nach den verschiedenen adäquaten Messverfahren und Einstellungen für einen Abgleich mit den Satelliten klären. Als Standort wurde die Front Range in Colorado ausgewählt. Damit sind die Orte Denver, Greeley und Platteville umfasst. Sie eigneten sich besonders gut, da ein Großteil der zu untersuchenden Geräte schon vorhanden war. Unterstützt wurde das Projekt durch die Colorado State University CSU sowie das NOAA Environmental Technology Laboratory und das NOAA Aeronomy Laboratory . Hauptsächlich wurden scannende, polarimetrische Wetterradar und Dopplerradar zur Erstellung eines vertikalen Profils der Atmosphäre untersucht.

Meteorologischer Forschungsradar auf Kwajalein Island

Die beiden Systeme arbeiten unabhängig voneinander und liefern sich ergänzende Resultate. Dabei wurde auch in unterschiedlichen Wellenlängen gemessen, um den Einfluss auf die Ergebnisse abschätzen zu können. In Zukunft werden zur „Bodenvalidierung“ weitere Bodenstationen zur Verfügung stehen. Darunter werden sich vermutlich auch Oklahoma und Kwajalein Island befinden, welche aus Hauptstationen von der NASA gefördert werden. Es wird aber auch einige Stationen in Europa geben. Die genauen Standorte stehen allerdings noch nicht fest .

Die Bodenstationen

Die Stationen sollen sich möglichst in Gebieten mit unterschiedlicher geographischer Lage befinden, um ganz verschiedene regionale Einflüsse auf den Niederschlag erfassen zu können. Dazu werden Messstationen gehören, welche sich auf Landoberflächen in den mittleren Breiten und am Äquator befinden sowie Stationen mit einer maritimen Lage in ähnlicher geographischer Breite. Die Standorte der „Bodenvalidierung“ werden außerdem drei verschiedene Strategien verfolgen. Die erste Standortvariante soll dazu dienen die statistische Validierung der Niederschlagsdaten durchzuführen. Vor allem größere Unterschiede in den Messreihen zwischen Satellitendaten und Bodenmessungen sollen damit erfasst werden. Für diese Variante wird das dichte Netz der Niederschlagsmesser und nationalen verwendet. Die zweite Standortkategorie der „Bodenvalidierung“ wird zur weiteren Klärung der Niederschlagsprozesse dienen. Damit soll vor allem das physikalische Wissen über die Niederschlagsprozesse erweitert werden. Das gewonnene Wissen kann dann wiederum verwendet werden, um bestimmte Algorithmen zu verbessern bzw. genauere Simulationsmodelle zu erreichen. Die letzte Variante der drei Standorte wird aus Forschungsflugzeugen bestehen und Daten direkt in der Atmosphäre und vor allem im oberen Teil von Wolken sammeln. Damit soll auch der Bereich erfasst werden, der von den üblichen Bodenmessgeräten nicht erreicht werden kann.

Die Daten der Satelliten

Letztendlich sollen alle Daten, die durch GPM gewonnenen werden, verschiedensten Nutzern zur Verfügung stehen. Dafür wurde ein neues Verarbeitungs- und Speichersystem entwickelt, welches als GPM Precipitation Processing System (PPS) bezeichnet wird. Es baut wiederum auf dem von TRMM auf und soll einen nahtlosen Übergang von den TRMM-Daten zu den GPM-Daten gewährleisten. Das PPS wird sich im NASA/Goddard Space Flight Center befinden, aber auch japanische und europäische Datenverarbeitungssysteme werden die Mission unterstützen. Die Daten selbst werden in vier verschiedene Klassen unterteilt in Abhängigkeit von ihrem Aufbereitungsstand und der Aufgabe, für die sie verwendet werden sollen .