Satellitenbasiertes Niederschlags-Monitoring System zur Anwendung in der Landwirtschaft und der Abflussvorhersage

Problemstellung

Die geringe Dichte, späte Verfügbarkeit und oft niedrige Qualität der Niederschlagsmessungen in Westafrika stellt ein erhebliches Problem für die flächendeckende Abschätzung von Niederschlag dar und behindert die Nutzung dieser Information für Landwirtschaft und Wassermanagement. So ist eine Echtzeitdiagnose, kurzfristige Vorhersage, oder Erstellung von täglichen Niederschlagskarten durch Bodenstationen allein vielerorts wegen der hohen räumlichen Variabilität konvektiver Niederschläge nicht möglich. Existierende satellitenbasierte Niederschlagsprodukte sind durch ihre Ausrichtung auf die globale oder kontinentale Skala und Klimatologie zu grob aufgelöst für Anwendungen auf nationaler Ebene. Durch ihre zudem sehr niedrige Qualität sind sie wenig brauchbar für quantitative Anwendungen. Ursache hierfür ist die regionale und zeitliche Abhängigkeit von systematischen Fehlern, die in global adaptierten Algorithmen außer Acht gelassen werden müssen. Zur flächendeckenden und schnellen Abschätzung des gefallenen Niederschlags wird daher ein Monitoring-System benötigt, welches den Verantwortlichen z.B. in Benin einerseits eine brauchbare quantitative Analyse, Nowcasting und eventuell Kurzzeit-Vorhersage des Niederschlags ermöglicht, und andererseits bei zeitlicher Integration die Menge und regionale Variabilität des Niederschlags für planerische Maßnahmen und auch wissenschaftliche Zwecke brauchbar wiedergibt.

Mitarbeiter

Diederich

Zielsetzung

Ein Ziel ist die Installation eines operationellen Niederschlags-Monitoring Systems für Benin und Westafrika, welches Entscheidungsträger und lokale beratende Wissenschaftler innerhalb eines Handlungs- und Reaktions-Zeitraumes mit verlässlichen Daten beliefert. Des weiteren werden mit Hilfe des im Laufe der Jahre aufgebauten extensiven Archivs an hochaufgelösten Satelliten- und Stationsdaten innerhalb von IMPETUS Verfahren zum statistischen „Downscaling“ und zur Desaggregation von Gitterbox-gemittelten Modelldaten überprüft und erarbeitet, welches die Verwendbarkeit der Modelldaten bzgl. Niederschlag auf höherer Auflösung ermöglicht.

Bei den Produkten des operationellen Monitoring-Systems handelt es sich sowohl um instantane Schätzungen des Niederschlags in 15 bis 30-Minuten Intervallen, sowie um daraus abgeleitete Niederschlagssummen mit beliebiger Integrationszeit und Einbindung später eintreffender Daten. Ein zentrales Anliegen ist dabei, die ersten Datenströme (geostationäre MSG Daten) unmittelbar nach Eintreffen für Vorhersagen und erste quantitative Analysen zu verarbeiten, und bei Ankunft weiterer Daten (ggf. Daten nichtgeostationärer Satelliten mit bis zu mehreren Tagen Verzögerung, Stationsdaten mit weiterer Verzögerung) so zu ergänzen, dass am Ende ein wissenschaftlich verwertbares Produkt zur Verfügung steht. Es gilt, die im Laufe der ersten und zweiten Phase von IMPETUS erstellten Algorithmen mit regionalisierten Anpassungen zu operationalisieren, und sie auf lokaler Ebene technisch unter Einbindung und mit Unterweisung von lokalem Personal zu implementieren. Außerdem werden Kommunikationswege zwischen den Betreuern des METEOSAT-8 Satellitenempfängers am Flughafen, Wetterdienst und Nutzerinstitutionen aufgebaut, um die Ergebnisse an lokale Entscheidungsträger und unterstützende Wissenschaftler weiterzuleiten.

Im Rahmen der Schulung zur technischen Umsetzung des Monitoring-Systems wird die im Laufe von IMPETUS erstellte Software zur Verarbeitung von Satellitendaten und Bodenmessungen an den Wetterdienst Benins und ggf. unterstützende Wissenschaftler übergeben. Diese Software erlaubt eine einfache Aufarbeitung und Kreuzvalidierung der teilweise sehr unzuverlässigen Bodenmessungen untereinander und mit Satellitendaten, sowie eine automatisierte Herstellung von klimatologischen Niederschlagskarten. Dabei wird die Möglichkeit zur selbständigen Weiterentwicklung der Software eingerichtet und durch entsprechende GIS und Programmierkurse gesichert.

Modellierung

Wegen der Vielzahl an Sensortypen, Messgrößen und verschiedener Samplingtypen können die Messungen nicht mit einem einfachen Ansatz verarbeitet werden, sondern müssen in einem umfangreichen Modell kombiniert werden. Die primäre Datenbasis sind Infrarotbilder des geostationären METEOSAT-8 Satelliten, die unter anderem am Flughafen in Cotonou empfangen werden. Hieraus werden flächendeckende Echtzeit-Niederschlagsschätzung mit Hilfe eines von IMPETUS entwickelten Niederschlags-Algorithmus erstellt, der durch multiple Datenquellen (Niederschlagsmessungen von Bodenstationen, AMMA Radarmessungen, und satellitengestützten Mikrowellensensoren) für die Region geeicht wurde. In einem speziell für die vorherrschende Datenlage entwickelten Schema werden dann diese ersten Schätzungen mit später eintreffenden Bodenmessungen zu einem kombinierten Niederschlagsprodukt verschnitten.

Die Eichung des Echtzeit-Algorithmus erfolgte mit den vorher genannten Datenquellen durch aus „Probability Matching“ erstellten „look-up“ Tabellen gemäß räumlich- und zeitlich-zyklischer Gegebenheiten. Bei Eintreffen von weiteren Satellitendaten und Bodenmessungen werden nach einer Konsistenzprüfung die „Look-up“ Tabellen zusätzlich der Wetterlage angepasst, und die räumlich/zeitlich nicht vollständig abdeckenden Daten werden in einem Merging-Schema (Morphing und Interpolation der Korrekturparameter) in die durchgängigen Flächendeckende Schätzung eingebunden.

Das so realisierte Niederschlags-Monitoring-System liefert Echtzeitschätzungen, durch Advektionsvektoren berechnete Kurzfristvorhersagen, sowie ein unter Einbeziehung aller verfügbarer Daten erstelltes hochwertiges Produkt. Für eine effiziente Datendiffusion werden Formate und Datenumfang direkt mit Nutzern der Niederschlagsprodukte vereinbart, um den vorliegenden technischen Kapazitäten gerecht zu werden.

Damit in Zusammenhang stehendes SDSS/IS/MT

Die beschriebene Methodik ist die Grundlage für ein Niederschlags-Monitoring Tool, welches an den Wetterdienst von Benin übertragen wird. Zusätzlich zu den Produkten des satellitengestützten Monitoring-Tools, dessen Datensätze nur bis zum Start der verwendeten Satelliten in die Vergangenheit reichen kann, wurde ein klimatologischer Datensatz mit geringerer Auflösung nur anhand von Bodenmessungen fertig gestellt. Dieser ist zwar qualitativ dem kombinierten Produkt unterlegen, reicht dafür aber von 1921 bis in die Gegenwart und ist in diesem Zeitraum homogen in der Herstellungsmethodik. Das Monitoringtool und der klimatologische Datensatz ab 1921 liefern den Input für ein Informationssystem, welches durch grafische Aufarbeitung, interaktive statistische Analysen und Möglichkeit zur benutzergesteuerten Datenreaggregation die Verwendung der Niederschlagsfelder bei deren Empfängern erleichtert.