Frau Dr. Köpken-Watts, die Wettervorhersage setzt sich aus vielen unterschiedlichen Daten zusammen. Welche Datenquellen nutzt der Deutsche Wetterdienst und welche Rolle spielen dabei die Wettersatelliten?
Den Ausgangspunkt der numerischen Wettervorhersage bildet stets eine Analyse des atmosphärischen Zustands, in die eine Vielzahl von Beobachtungen Eingang finden. Dies sind zum einen diverse direkte Messungen, sogenannte konventionelle Daten. Dazu gehören Radiosonden, das heißt „Wetterballons“ und Flugzeuge sowie Oberflächenmessungen von Bodenstationen, Schiffen und Bojen. Zum anderen werden diverse Fernerkundungsdaten von bodengestützten Systemen wie RADAR-Stationen und Wind-Profilern genutzt - und eben eine Vielzahl von Satellitendaten von ganz unterschiedlichen Satelliten und Instrumenten. Diese Satellitendaten stellen dabei eine essenzielle Datenquelle für die operationelle numerische Wettervorhersage dar – und tragen erheblich zu deren kontinuierlicher Verbesserung bei. Operationell stammen für die globale Modellierung im DWD mittlerweile über 85 Prozent der genutzten Daten von Satelliten und sowohl deren Menge als auch ihr Vorhersageimpakt werden weiter ansteigen – im Besonderen auch durch die Daten neuer Satellitengenerationen. Auch die Kürzestfristvorhersage, die einen Zeitraum bis zu zwölf Stunden umfasst, basiert neben konventionellen Daten vor allem auf dem flächendeckenden Radarstationsnetz und eben Satellitendaten. Die genutzten Satellitendaten kommen von diversen Plattformen, sowohl geostationär also auch polarumlaufend und werden von Satelliteninstitutionen verschiedener Länder betrieben. Eine sehr wichtige Rolle spielt dabei für uns EUMETSAT in Darmstadt, die sowohl für die Wettervorhersage wesentliche Satellitensysteme mit entwickeln und dann betreiben, als auch Daten anderer internationaler Satelliten für europäische Wetterdienste weiterverteilen.
Wo sehen sie die Vorteile, die Wettersatelliten Ihnen als Wetterdienst bringen?
Wettersatelliten ermöglichen Beobachtungen mit exzellenter Abdeckung der ganzen Erde sowohl über Land, als auch über Wasser und Eis. Dazu bieten sie – je nach Instrument und Orbit – auch eine hohe zeitliche Auflösung und durch die Nutzung von Instrumenten mit unterschiedlicher Messtechnik und Technologie eine Vielfalt von Beobachtungen von ganz unterschiedlichen wesentlichen Parametern, von Temperatur, Feuchte und Wind über Oberflächentemperaturen, Vegetation, Schnee- und Eisbedeckung bis hin zu Spurengasen und Aerosolen. Die Nutzung dieser Daten bringt daher wesentliche Vorteile und Beiträge in vielen Bereichen unserer Arbeit und für ganz diverse Kundenprodukte mit sich. Außerdem sind Satellitendaten in der Anwendung für die numerische Vorhersage wichtig, wo sie in der Datenassimilation für die hohe Qualität der Analysen, die den Ausgangspunkt für die Vorhersagen darstellen, essenziell sind. Den Impakt bemessen wir und andere Wetterdienste regelmäßig mit verschiedenen Methoden – unter anderem indem wir für Testperioden Vorhersagen mit verschiedenen Szenarien rechnen, in denen wir zum Beispiel einen Teil oder auch alle Satellitendaten nicht verwenden und dann die resultierende Qualität ermitteln. Ein solches Maß ist dabei zum Beispiel, dass Satellitendaten die Fehler in Ein-Tages-Vohersagen des europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage [Anm. d. Red.: European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, EMCWF] um mehr als 60 Prozent in deren Studien reduzieren. Ein anschauliches Beispiel wäre, dass beim Ausschluss von Satellitendaten viele Extremereignissen, seien es Stürme bei uns oder tropische Zyklonen, je nach Fall nur sehr schlecht oder deutlich später vorausgesagt werden. Diese Vorhersagegewinne mit Satellitendaten haben direkte positive Auswirkungen für alle Kundengruppen und erlauben zum Beispiel frühzeitigere Warnungen und auch Planungen in vielen Bereichen. Außer in der Datenassimilation werden Satellitendaten gezielt für die Evaluierung und Verbesserung der physikalisch basierten numerischen Modelle eingesetzt. Insbesondere überprüfen wir Simulationen der nur schwer mit konventionellen Daten erfassbaren Wolken- und Strahlungsprozesse. Zeitlich und räumlich hochauflösende Daten in verschiedenen Spektralkanälen erlauben hier ein tieferes Verständnis und eine Analyse dieser Prozesse. Präziser abgebildete physikalische Prozess in den Modellen führen dann wiederum zu genaueren Vorhersagen. Schließlich ist auch auf die wachsende Bedeutung von Satellitendaten für die Überwachung des Klimas und des Klimawandels hinzuweisen, für die Satellitendaten mittlerweile circa 40-jährige Zeitserien von Beobachtungen für viele wesentliche Parameter bereitstellen, insbesondere von Wolkeneigenschaften und der solaren Strahlung, aber auch des Feuchtegehalts der Atmosphäre, sowie der Meerestemperatur und der Eisbedeckung.
Die Wettervorhersage ist auch dank der Satellitendaten in den letzten Jahrzehnten immer präziser geworden. Woran liegt das genau?
An dem Wettervorhersagesystem wird kontinuierlich und im Schulterschluss mit starken internationalen Partnern gearbeitet. Dabei werden mehrfach pro Jahr Verbesserungen in der Assimilation, das heißt in der Nutzung von Beobachtungsdaten, und dem eigentlichen numerischen Modell eingebracht. Diese Fortschritte wiederum werden durch eine parallele Verbesserung der verfügbaren Computerressourcen unterstützt beziehungsweise erst sowohl durch neue Hardware als auch parallele Anpassung der Wettervorhersage-Softwareprogramme ermöglicht. Und im Gleichschritt erlauben diese Änderungen ein ständig zunehmendes Volumen an Satellitendaten zu integrieren und auch besser zu verarbeiten. Es ist also ein Konzert von Expertinnen und Experten, die an den verschiedensten Komponenten des Modell- und Analysesystems arbeiten, in dem Satellitendaten eine essenzielle Datenquelle darstellen.
Mitte Juli 2021 wurde der Westen Deutschlands von extremen Unwettern heimgesucht. Am schlimmsten waren Rheinland-Pfalz und Nordrhein-Westfalen betroffen. In Teilen der beiden Bundesländer fiel am 14. Juli und in der Nacht auf den 15. Juli innerhalb von nur 24 Stunden 100 bis 150 Liter Regen pro Quadratmeter. Im gesamten Monat Juli fällt im Durchschnitt weniger Niederschlag. Der Starkregen löste in den betroffenen Regionen Sturzfluten und massive Überschwemmungen aus. Mit anhaltender Niederschlagstätigkeit traten auch mittlere und größere Flüsse wie Ahr, Emscher, Erft, Kyll, Lippe, Prüm, Ruhr, Rur, Sieg und Wupper über die Ufer. Daraus entwickelte sich eine ausgedehnte Hochwassersituation von der Eifel (Rheinland-Pfalz) über das Rheinland und dem Ruhrgebiet bis hin nach Südwestfalen (NordrheinWestfalen). Die Starkregenereignisse führten in Deutschland zu mindestens 180 Toten und Schäden in Höhe von rund 33 Milliarden Euro. Das durch das Tiefdruckgebiet Bernd ausgelöste Unwetter richtete auch in Teilen Belgiens, Frankreichs, der Niederlande, Luxemburg und anderen Regionen Europas zum Teil erhebliche Schäden an. Die Bilder zeigen die Niederschlagsmengen innerhalb von 72 Stunden (links) und eine Satellitenaufnahme des Starkregengebiets. (© DWD)
Mit MTG soll die Genauigkeit noch einmal deutlich verbessert werden. Wie wichtig ist MTG aus der Sicht der Wetterdienste und welche Verbesserungen erhoffen Sie sich von der neuen Baureihe?
Bleiben wir erstmal beim eben angesprochenen Bereich der numerischen Wettervorhersage: Daten der bisherigen geostationären Meteosat Second Generation (MSG)-Satelliten werden zum Beispiel in der globalen Vorhersage routinemäßig für eine Verbesserung der Analyse der Feuchtefelder und in der Form von aus Wolkenverlagerung abgeleiteter Windvektoren verwendet. Hier wird das neue Instrument auf den MTG-Imager-Satelliten, der Flexible Combined Imager (FCI), mit verbesserter zeitlicher und räumlicher Auflösung eine höhere Genauigkeit der Beobachtungen bringen. Für die hochauflösende numerischen Vorhersage auf einem 2.2-Kilometer-Gitter für Deutschland und Umgebung und im derzeit prä-operationell getesteten Kurzfrist-Vorhersagesystem (SINFONY-Projekt), werden Anfang 2023 operationell MSG-Beobachtungen im sichtbaren Spektralbereich genutzt werden, um konkret die Wolkenvorhersage zu verbessern. Davon profitieren auch die Vorhersagen der bodennahen Temperatur und der Sonneneinstrahlung. Bei der Nutzung von Messungen in den sichtbaren Kanälen ist der DWD ganz vorne in der Forschung dabei und wird sie voraussichtlich als erster Wetterdienst operationell einführen. Für diese Vorhersagen birgt die bessere Auflösung des Flexible Combined Imager (FCI) auf MTG und auch dessen zusätzliche Spektralkanäle weiteres Potenzial – besonders in Bezug auf weitere Verbesserungen im Bereich der Feuchte- und Wolkenanalyse sowie der Modellierung. Hier die Präzision der Vorhersagen weiter zu verbessern, hat eine stark zunehmende, direkte Bedeutung für den Energiemarkt und für die Steuerung der Energiegewinnung aus Erneuerbaren.
Außer dem Imager FCI fliegt auf MTG auch ein in Europa neuartiges Instrument, der Lightning Imager (LI), von dem wir Nutzen bei Validierung und Verbesserung von Modellen bezüglich der Fähigkeit, Gewitter zu simulieren und vorherzusagen, erwarten. Ziel solcher Forschung ist dann nicht zuletzt, diese Information auch direkt in der Analyse für die Vorhersagen zu verwenden. Aber auch für andere Anwendungen im DWD bieten die neuen Daten interessante Potenziale, zum Beispiel im Bereich der Kurzfristvorhersage, dem sogenannten Nowcasting. Hier lassen sowohl der Imager FCI als auch der LI Verbesserungen erwarten. Die höhere Auflösung der Daten zum Beispiel ermöglicht räumlich genauere Kürzestfrist-Vorhersagen der Solarstrahlung für Privatkunden und die Energiewirtschaft. Ebenso erhoffen wir uns beim Nebel kleinräumige Strukturen besser zu erfassen. Für die Detektion von Vulkanasche und Eiswolken, beides wichtige Produkte für die Luftfahrt, sind sowohl die höhere Auflösung als auch die neuen spektralen Kanäle des FCI hilfreich.
Ein ganz wichtiger Aspekt für das Nowcasting ist die Erkennung und Analyse von Gewittern. Mit dem verbesserten Imager FCI und zusätzlich dem LI werden hochauflösende Daten bereitstehen, die ein besseres Verständnis und genauere Aussagen erlauben werden, aus welchen konvektiven Wolken dann Gewitter und besonders schwere Gewitter entstehen. Außerdem kann deren Ausdehnung und deren Lebensdauer besser eingeschätzt werden . Wesentlich ist auch hier die verbesserte räumliche Auflösung des Imagers und die große horizontale Abdeckung, mit der der Satellit den Radarnetzbereich erweitert. Zusätzlich sieht der LI auch Blitze zwischen den Wolken (cloud-to-cloud), was die Blitzmessungen existierender Bodenmessnetze ergänzt, die im Wesentlichen Wolken-Bodenblitze erfassen. Dadurch ist zu erwarten, dass die Lebenszeit von Gewittern besser abgeschätzt werden kann, was das Gewitter-Nowcasting und die live Gewittervorhersagen des DWD für Piloten verbessert.
Zuletzt wird der MTG-Imager FCI auch im Klimamonitoring Anwendung finden, indem die Satelliten eine nun schon mehr als 40-jährige Zeitserie von geostationären Beobachtungen insbesondere von Wolkeneigenschaften und der solaren Strahlung fortsetzten werden.
MTG-FCI wird eine wichtige komplementäre Rolle im Beobachtungsnetz für die Bundesrepublik für Sonnenscheindauer und Solarstrahlung spielen, damit das Kernmessnetz von 42 Stationen in Deutschland ergänzt wird ("Optimierung des Messnetzes in Deutschland").
Was für eine Steigerung ist in der weiteren Zukunft noch zu erwarten?
Mit Start des ersten Satelliten des MTG-Programms, des MTG-I1, wird ein neuer, zusätzlicher Push für die wissenschaftliche Weiterentwicklung der Verfahren ausgelöst, die diese Daten und damit verbundenen Investitionen ausnutzen und in die Anwendung überführen werden. Hier kommen sowohl Wetterdienste als auch Forschungspartner ins Spiel. Natürlich haben bereits parallel zur Instrument-Entwicklung in den letzten Jahren Arbeiten unter anderem mit simulierten Testdaten stattgefunden, um die Algorithmen für die neuen Datenströme vorzubereiten und zu erweitern. Unsere Experten und Expertinnen stehen praktisch in den Startlöchern, um die neuen Daten zügig in ihre Verfahren aufzunehmen. Zudem lösen diese neuen Daten auch eine Lernkurve aus, bei der über die gesamte Lebensdauer des Satelliten Verbesserungen und Neuerungen in der Nutzung resultieren werden. Spannende Neuerungen in den Verfahren sind durch die Menge der Daten und die parallele Verfügbarkeit von sowohl FCI als auch LI Daten, sowie durch erweiterte Ansätze zum Beispiel mittels maschinellem Lernen zu erwarten.
Außer dem jetzt gestarteten MTG-I1 sollten wir beim Blick auf die weitere Zukunft auch die zweite Komponente des MTG-Programmes, die Sounding-Satelliten MTG-S, erwähnen, deren erster Satellit voraussichtlich in 2024 gestartet werden wird. Diese werden zwei neue Instrumente tragen, den hyperspektralen Infrared Sounder (IRS) und das Ultraviolet Visible Near-infrared spectrometer (UVN), das auch als Sentinel-4 Teil des europäischen Copernicus-Programms ist. Diese Instrumente werden zum ersten Mal für Europa spektral hochaufgelöste Messungen mit sehr guter räumlicher Auflösung aus dem geostationären Orbit realisieren, was eine deutlich höhere zeitliche Auflösung als bisherige ähnliche Daten von polarumlaufenden Satelliten bietet. Diese Beobachtungen ermöglichen eine Charakterisierung des Temperatur- und Feuchteprofiles und von Spurengasen und Aerosolen mit den entsprechenden kontinuierlichen Abdeckungen und hohen Auflösungen.
Warnungen vor Unwetter sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Dennoch ist die punktgenaue Vorhersage gerade bei Gewittern noch schwierig. Wie können MTG-Daten hier die Warnungen weiter optimieren?
Die kurzfristigen Warnungen vor Gewittern beruhen auf den operationellen Nowcasting-Verfahren, die derzeit typischerweise nur die Advektion berücksichtigen, also die beobachtete Verlagerung in die Zukunft extrapolieren. Dabei können sowohl neu entstehende Gewitterzellen als auch ein Zerfall von Zellen während der 0-2 Stunden-Vorhersage nicht berücksichtigt werden. Die höhere zeitliche und räumliche Auflösung der neuen MTG-Daten hat das Potenzial, entsprechende Informationen mit einfließen zu lassen und damit das Nowcasting zu verbessern, indem zum Beispiel entstehende Konvektion aufgrund der höheren zeitlichen und räumlichen Auflösung früher erkannt wird. Zusätzlich sind Phänomene wie ‚Overshooting Cloud Tops‘, die ein Zeichen für schwere Konvektion sind, weitaus besser mit dem FCI auf MTG zu entdecken. In neuartigen Verfahren werden die Nowcasting-Verfahren auch mit der numerischen Kürzestfrist-Vorhersage kombiniert, um zum Beispiel auch physikalische Aspekte wie die Entstehung oder den Zerfall von Zellen besser zu erfassen. Da sowohl die Nowcasting-Verfahren als auch die numerische Vorhersage von den neuen MTG-Beobachtungen profitiert, sind Fortschritte in der Gewittervorhersage durch MTG zu erwarten.
Welche Rolle spielen die Daten Ihrer Erfahrung nach im Hinblick auf den Klimawandel?
Eine zentrale Anforderung im Kontext des Klimawandels ist eine solide Beobachtungsbasis mit Kontinuität, das heißt lange Zeitreihen von konsistenten Daten, die zudem sehr gut kalibriert und dokumentiert sein müssen. Das FCI-Instrument auf MTG setzt die mehr als 40-jährige Zeitserie von geostationären Meteosat-Beobachtungen fort. Für die Kontinuität der Zeitreihenauswertungen sorgen dabei sowohl eine lange initiale Kalibrierungs- und Evaluierungsphase des jeweils neuen Satelliteninstrumentes als auch Vergleiche der Daten mit Messungen von Referenzinstrumenten auf polarumlaufenden Satelliten. Neben den Strahlungsdaten selbst werden mit den FCI-Daten auch Zeitreihen abgeleiteter Parameter wie Wolkenbedeckung, zusätzliche Wolkeneigenschaften sowie der solaren Strahlung fortgesetzt. MTG ermöglicht uns zudem, neue zusätzliche Informationen von Wolkeneigenschaften auch im Zusammenspiel mit den aktuellen MSG-Satellitendaten klimatologisch auswerten zu können.
Wenn sie einen Wunsch frei hätten, welche Daten würden Sie in Zukunft gerne von Satelliten bekommen, die sie bislang nicht zur Verfügung haben?
Im Moment und so kurz nach Start von MTG-I1 sollten wir uns erst einmal auf die Ausnutzung dieser neuen Datenquelle stürzen. Es gibt einen Berg von Arbeit bei EUMETSAT, um diese Daten durch eine erfolgreiche Commissioning-Phase den Nutzern am Ende operationell bereitstellen zu können. Und auf Seiten der Nutzer ist viel zu tun, diese Daten dann in optimaler Weise in die eigenen Verfahren zu integrieren. Wir werden sicherlich eine steile Lernkurve mit diesen neuen geostationären Daten durchlaufen – und insbesondere auch in Kombination mit den wichtigen Daten des bald folgenden MTG Sondierungssatelliten mit den IRS- und UVN-Instrumenten. Dazu kommen dann mit dem Start der neuen polarumlaufenen EPS-SG Satelliten von EUMETSAT ab 2025 weitere neue und spannende Instrumente und Daten mit viel ergänzendem Potenzial. Im Laufe der Erfahrungen mit diesen Daten werden sich belastbarere Aussagen zu dieser Frage herauskristallisieren. Jetzt würde ich erst mal sagen: „Ärmel hochkrempeln und MTG-UP!“