Thema des Tages

Aeolus – Ein Satellit soll die Wettervorhersage verbessern

Am heutigen 21. August 2018 um 21:20:09 GMT war in Kourou/Franz. Guyana der Start des neuen Satelliten ?Aeolus? der ESA (European Space Agency mit Sitz in Darmstadt) geplant. Doch die Zeitenwende durch die neuartigen Windmessungen muss warten! Denn Aeolus – dem Satelliten für eine bessere Wettermodellierung – wurde gerade aufgrund der dort bestehenden Wetterbedingungen vorübergehend die Starterlaubnis entzogen. Ein neuer Anlauf soll am Mittwoch (22. August) um 23.20 Uhr MESZ erfolgen. Die Aufgabe von Aeolus nach Erreichen seiner Umlaufbahn ist es, im Rahmen der Earth Explorer Missions hochpräzise Luftströmungen zu messen (vgl. Abb. 1).

Aufgrund seiner Mission ist der ESA-Satellit nach dem griechischen Gott der Winde (altgriechisch ??????, lateinisch Aeolus) benannt. Er hat dabei als erster Satellit überhaupt als Nutzlast ein
Doppler-Lidar (Light detection and ranging), genannt ALADIN (Atmospheric Laser Doppler Lidar Instrument) an Bord (vgl. Abb. 2). Der Laser sendet bei einer Wellenlänge von 355 nm Lichtimpulse aus, die mit einem 1,5-m-Teleskop nach Reflektion in der Atmosphäre am Satelliten wieder empfangen werden. Aus den Laufzeiten und dem Dopplereffekt der reflektierten Impulse lassen sich
Feuchteverteilungen und Windströmungen in der Atmosphäre bestimmen. Dazu fliegt der Satellit in einem sonnensynchronen Orbit (LTAN 06:00 LZ) in etwa 320 km Höhe. Die Abmessungen des Satelliten betragen 4,60 × 1,9 × 2,0 m, seine Masse beträgt beim Start 1360 kg.

Der Satellit tastet bei jeden Überflug eine Streifen von ca. 230 km ab. Zur Erhöhung der Genauigkeit werden für jede Messung mehrere hundert Laserimpulse ausgewertet. Die vertikale Auflösung wird bei 250 m bis 2 km und die horizontale Auflösung bei 87 km liegen. Messungen bis zum Boden sind bei wolkenlosem Himmel und dünnen Cirren möglich. Die Genauigkeit der Windgeschwindigkeit liegt bei 1-2 m/s. Der Satellit überfliegt alle sieben Tage den gleichen Punkt an der Erdoberfläche (vgl. Abb. 3.)

Die Daten werden auf Svalbard (Spitzbergen) und an der norwegischen Forschungsstation Troll in der Antarktis empfangen, in
Tromsø/Norwegen prozessiert. Daraus werden beim EZMWF (Europäisches Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage) die Windprofile erstellt und anschließend von EUMESAT (Europäische Organisation für
meteorologische Satelliten) über EUMETCast den Nutzern zur Verfügung gestellt.

Die wichtigsten Nutzer der aus Aeolus-Messungen erstellten
Windprofile werden numerische Wettervorhersagemodelle sein, aber auch für Klimaauswertungen sind die Daten durchaus nutzbar.

Die Beschreibung des Ist-Zustands der Atmosphäre in den numerischen Wettermodellen ist eine wesentliche Zutat für eine gute
Wettermodellierung und schließlich auch Wettervorhersage. Als Vorbereitung für jeden Modelllauf des numerischen
Wettervorhersagemodells ICON sowie auch der anderen Wettermodelle führender Wetterdienste wird bei der sogenannten Datenassimilation aus allen verfügbaren, aktuellen Messungen (Bodenstationen, Radiosonden, Radar- und Satellitendaten, ?) der momentane Zustand der Atmosphäre bestimmt. Dazu zählen insbesondere Informationen über das dreidimensionale Windfeld, dessen Messungen jedoch nur über den dicht besiedelten Gebieten der Nord- und Südhemisphäre in einem
zufriedenstellenden Ausmaß verfügbar sind. In den Tropen, über den Ozeanen und den polaren Gebieten ist dies allerdings nicht der Fall. Dort fehlen vor allem Windprofile, also Windmessungen in
verschiedenen Höhenniveaus der Atmosphäre. Genau hier soll Aeolus Abhilfe schaffen. Durch die polarnahe Umlaufbahn des Satelliten wird Aeolus mit dem Doppler-Lidar weltweit dreidimensionale
Windinformationen liefern und somit insbesondere in Gebieten wie den Tropen oder über den Ozeanen das bisherige Defizit beheben können.

Demzufolge sind die Erwartungen in der Branche der
Wettermodellentwickler hoch, dass die numerischen Wettervorhersagen mit Nutzung der Aeolus-Messungen weiter verbessert werden können. Darüber hinaus tragen die weltweiten, dreidimensionalen Windmessungen durch den „griechischen Gott der Winde“ auch zu einem besseren Verständnis bezüglich des Einflusses des Klimawandels auf die grundlegenden atmosphärischen Prozesse bei. Damit die Aeolus-Daten auch beim Deutschen Wetterdienst direkt und ohne Probleme verwendet werden können, sind alle notwendigen Erweiterungen und Anpassungen bereits durchgeführt worden. Mit der ersten Datenlieferung wird dabei in der Regel drei Monate nach einem erfolgreichen Start gerechnet.

Auch das EZMW weist in einem Interview bei der BBC vor allem auf die deutlichen Verbesserungen der Vorhersagequalität in den Tropen und über den Ozeanen der Nord- und Südhemisphäre hin. Dadurch können z.B. tropische Wirbelstürme mit einer höheren Güte prognostiziert werden. Aber auch in unseren Breiten wird zum Beispiel bei der Simulation der Sturmentwicklungen über dem Atlantik durch die Aeolus-Daten von einer wertvollen Unterstützung ausgegangen.

ALADIN, die Fracht von Aeolus, ist das erste satellitengestützte Messsystem dieser Art. Die technische Umsetzung war sehr
anspruchsvoll und begann bereits im Jahr 2002. Die erwartete Lebensdauer des Satelliten beträgt ungefähr drei Jahre. Sollte sich der gewünschte Erfolg einstellen, werden weitere Satelliten mit identischen oder ähnlichen Messverfahren folgen, damit die erzielten Verbesserungen dauerhaft sichergestellt werden können.

Dr. Katja Hungershöfer, Dipl.-Met. Jörg Asmus, Dipl.-Met. Lars Kirchhübel
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 21.08.2018

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