Verbesserung von Wettervorhersagen mit Hilfe solarer Satellitenbilder

Synthetisches Satellitenbild für das SEVIRI-Instrument auf Meteosat MSG-4, erzeugt mit MFASIS-NN aus einer Vorhersage des ICON-Modells. Für die roten, grünen und blauen Anteile dieses Bildes wurden die Satellitenkanäle bei Wellenlängen von 1.6, 0.8 und 0.6 Mikrometern benutzt.

Bereits die ersten Wettersatelliten in den 60er Jahren lieferten Bilder im solaren Spektralbereich, in dem von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung gemessen wird. Diese Bilder enthalten zahlreiche Informationen über die räumliche Verteilung von Wolken, ihren Wasser- und Eisgehalt sowie Eigenschaften wie die mittlere Tröpfchengröße. Seit März 2023 werden derartige Satellitenbilder vom Deutschen Wetterdienst erstmals direkt genutzt, um die operationelle Wettervorhersage zu verbessern. Entwicklungen am meteorologischen Institut der LMU haben entscheidend zu diesem Erfolg beigetragen. Die Verbesserung der Vorhersage erfordert einen Vorwärtsoperator, d.h. ein Verfahren, um aus einer numerischen Wettervorhersage ein synthetisches Satellitenbild zu erzeugen. Aus den Unterschieden zwischen dem tatsächlich beobachteten und dem synthetischen Bild kann dann über Verfahren der Datenassimilation bestimmt werden, wie der Modellzustand korrigiert werden muss, um die nächste Vorhersage zu verbessern. Die Erzeugung synthetischer Bilder mit Standardverfahren ist im solaren Bereich besonders aufwändig und zu langsam für die operationelle Wettervorhersage. Im Rahmen des virtuellen Hans-Ertel-Instituts für Wetterforschung wurden in den letzten Jahren an der LMU in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst Verfahren entwickelt, die mehrere Größenordnungen schneller sind. Mit der neuesten Version des Verfahrens, "MFASIS-NN" (Baur et al. 2023), die auf neuronalen Netzen basiert, können nun Bilder nicht nur sichtbaren sondern auch im nah-infraroten Spektralbereich effizient berechnet werden. Die nah-infraroten Bilder enthalten zusätzliche Informationen, die es unter anderem erlauben, Wasser- von Eiswolken zu unterscheiden und die die Vorhersage weiter verbessern sollten. Die Abbildung oben zeigt ein mit dem neuen Verfahren berechnetes synthetisches Bild für das SEVIRI-Instrument auf dem geostationären Wettersatelliten Meteosat MSG-11. Durch die gemeinsame Verwendung von sichtbaren und nah-infraroten Beobachtungen erscheinen Wasserwolken weiß und Eiswolken bläulich.