Im Rahmen der der ESA "Climate Change Initiative" (CCI) forschen internationale Wissenschaftsteams an der Generierung von 21 wesentlichen Klimavariablen (Essential Climate Variables, ECVs). Dabei handelt es sich um Schlüsselindikatoren, die das sich verändernde Klima der Erde beschreiben und durch Anforderungen für das Globale Klima-Beobachtungssystem (GCOS – Global Climate Observig System) definiert werden. Die 21 ECVs, die von den Teams der Climate Change Initiative erstellt werden, sind ECVs, die in erster Linie aus Satellitendaten generiert werden können. Sie sind anhand unabhängiger Datensätze validiert worden, weisen ein hohes Maß an Rückverfolgbarkeit und Konsistenz auf und enthalten quantitative Schätzungen der Unsicherheit.

Messung durch Fernerkundung

Satellitensensoren erfassen die von der Erde reflektierte oder ausgesandte Strahlung: von der Atmosphäre, dem Land, den Ozeanen und der Eisoberfläche. Sensoren, die diese Strahlung passiv erfassen - in der Regel ist der Ursprung der Strahlung die Sonne oder die Erde - werden als passive Sensoren bezeichnet. Die Detektoren sind so konstruiert, dass sie Strahlung in bestimmten Frequenzbändern messen, aus denen sich dann Rückschlüsse über Prozesse und Zustände des Erdsystems ableiten lassen.

Zum Beispiel ist Kohlendioxid (CO2) ein Treibhausgas, das die Sonnenstrahlung in bestimmten Bändern absorbiert. Die gemessene Absorption innerhalb dieser Frequenzbänder kann verwendet werden, um die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre zu bestimmen. Die Auswirkungen anderer atmosphärischer Bestandteile (wie Wasserdampf, Wolken, Aerosole, Ozon) werden in Algorithmen berücksichtigt, die von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Rahmen von CCI entwickelt wurden, um globale Karten des Kohlendioxids zu erstellen und die CO2 Konzentrationen seit 2003 zu überwachen.

Darstellung der verschieden technischen Messprinzipien von Sensoren auf Erdbeobachtungssatelliten. Strahlungsbasierte Sensoren erfassen elektromagnetische Energie, die von der Erdoberfläche reflektiert/ausgestrahlt wird, oder die sie selber aussenden. Schwerkraftbasierte Sensoren erfassen die Schwerkraftvariationen der Erde.

Sensoren, die über eine eigene Beleuchtungsquelle verfügen, werden als aktive Sensoren bezeichnet. Sie senden Strahlungsimpulse aus und messen die von der Erde und zurück zum Sensor reflektierte Rückstreuung.

Das Spektrum der Sonnenstrahlung, mit den Namen der verschiedenen spektralen Regionen und den entsprechenden Wellenlängen und Bandnamen.

Als Beispiel für aktive Sensoren sei das Prinzip der Höhenmessung vom Weltraum aus hier erläutert: das Gerät sendet ein elektromagnetisches Signal im Mikrowellen-Spektralbereich an die Meeresoberfläche und zeichnet die Zeit auf, die bis zum Erkennen des reflektierten Echos verstrichen ist. Die Lichtgeschwindigkeit ist bekannt, und durch die Messung der benötigten Zeit kann die Entfernung von der Meeresoberfläche bis zur Antenne des Sensors bestimmt werden. Mit zusätzlichen Informationen über die Umlaufbahn des Satelliten und das Geoid der Erde können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der CCI aus diesen Messungen die Höhe des Meeresspiegels millimetergenau berechnen und eine globale Aufzeichnung seiner Schwankungen über 25 Jahre erstellen.

Daten zur Klimaqualität

Die CCI ECVs sind Klimaqualitätsdatensätze (Climate Data Records, CDRs). Damit werden Datenreihen gekennzeichnet, die sich für die Klimaforschung aufgrund ihrer hohen Qualität eignen. In der Klimaforschung werden subtile klimabezogene Signale untersucht, die über Jahrzehnte hinweg auftreten und in einen verrauschten Hintergrund kurzfristiger Schwankungen eingebettet sind, die durch das Wetter und andere Prozesse im Erdsystem verursacht werden. Dieses Hintergrundsignal kann einen dynamischen Bereich haben, der bis zu zehntausendmal größer ist als ein zugrunde liegender Klimatrend.

Klimadatensätze müssen daher eine ausreichende Länge und Stabilität aufweisen, um für Klimaanwendungen genutzt werden zu können, und sie müssen Informationen enthalten, die den Benutzerinnen und Benutzern die Entscheidung erleichtern, ob die Daten für die jeweilige, spezielle Klimafragestellung geeignet sind.

Zur Unterstützung der Nutzerinnen und Nutzer haben internationale Koordinierungsgremien sechs Qualitätsindikatoren für Satelliten-CDRs entwickelt (Nightingale, J. et al. , 2018). Die Datendateien sollten in sogenannten "Metadaten" Informationen über die grundlegenden Eigenschaften der Daten und ihre Sensorquelle enthalten, die Dokumentation soll transparent beschreiben, wie sie erstellt wird, wie gut der Datensatz den vereinbarten Anforderungen für Klimaanwendungen entspricht (z. B. den Anforderungen des Global Climate Observing System für ECVs) und wie gut die Daten im Vergleich zu unabhängigen Datensätzen sind. Die Daten sollen auf Pixelebene über "Qualitätskennzeichen" angeben, wie zuverlässig die Messungen sind, und es sollen rückverfolgbare Unsicherheitsschätzungen bereitgestellt werden.

Was verstehen wir unter Fehler und Unsicherheit?

Unsicherheit beschreibt die Schwankungsbreite, die aufgrund von Messungenauigkeiten und Ungenauigkeiten bei Berechnungen auftritt. Sie ist in der Regel sehr klein, aber wichtiger noch ist es, dass der Wert dieser Schwankung quantitativ bestimmt wird. Die Kenntnis der Unsicherheit ermöglicht es den Nutzerinnen und Nutzern, die Relevanz ihrer Ergebnisse zu bestimmen. Sie ist wichtig für alle Anwendungen von CDRs, von der Klimamodellierung über die Klimaforschung bis hin zu Klimadienstleistungen und Entscheidungsfindung. Die Unsicherheit sollte auf pro Pixel bestimmt werden und ist ein entscheidendes Merkmal eines CDR. Aber Unsicherheit wird oft mit dem Begriff "Fehler" verwechselt.

Der Fehler in einer Messung bezieht sich auf die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem "wahren Wert" in der Natur. Verschiedene Effekte tragen zur Unrichtigkeit einer Messung bei. Nun ist es unmöglich, den Messfehler zu kennen, denn sonst würden wir ihn korrigieren. Stattdessen müssen wir die Unsicherheit einer Messung schätzen, die in der Regel durch die Streuung der gemessenen Werte gegeben ist (Merchant, C. et al., 2017).

Bei satellitengestützten CDRs treten Unsicherheiten bei jedem Schritt des Produktionsprozesses auf: aufgrund von Unvollkommenheiten des Sensors und den Auswirkungen der Absorption und Streuung des Signals durch die Atmosphäre, die nicht perfekt "korrigiert" werden können. Während der Datenverarbeitung - wenn die geophysikalischen Variablen berechnet werden - und während der Rasterung und Interpolation - wenn die Daten zu Level-3- und Level-4-Versionen weiterverarbeitet werden. Unsicherheiten, die in einem frühen Stadium des Prozesses auftreten, müssen in den nachfolgenden Phasen der Verarbeitung mit berücksichtigt werden.

Kalibrierung und Validierung

ESA Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler führen regelmäßig eine Bewertung der Genauigkeit von Satellitendatenprodukten durch. Dabei werden abgeleitete ECVs mit unabhängigen Feldmessungen und Modellsimulationen verglichen. Diese Vergleiche dienen zwei Zwecken: (i) die Datenwerte anzupassen, um systematische Abweichungen, falls vorhanden und ursächlich verstanden, zu beseitigen, und (ii) die Qualität der abgeleiteten ECVs abzuschätzen (dies wird als Validierung bezeichnet), was sowohl von der Klimawissenschaft als auch von den Modellierungsexpertinnen und -experten gefordert wird. Die Validierung befasst sich mit der Frage, wie gut ein bestimmter Datensatz ist. Dies beinhaltet den Vergleich von Werten auf Pixelebene mit zuverlässigen in-situ Feldmessungen aus der ganzen Welt. Inzwischen gibt es fortschrittliche statistische Methoden zur Schätzung der Genauigkeit und zur Behandlung von Skalierungsfehlern. Als Datenproduzent unternimmt die ESA große Anstrengungen, um zur Standardisierung des Validierungsprozesses beizutragen, und arbeitet dabei eng mit GCOS und dem Ausschuss für Erdbeobachtungssatelliten (Commitee on Earth Observation Satellites, CEOS) zusammen, um Standard-Protokolle („best practice“) zu erstellen.

Kalibrierung ist der Prozess der Charakterisierung der Reaktion eines Sensors auf bekannte und kontrollierte Signaleingänge. Bei passiven Techniken zur satellitengestützten Erdbeobachtung wird die Kalibrierung auf der Satellitenplattform selbst durchgeführt. Bei der Messung der Oberflächentemperatur beispielsweise trifft Infrarotstrahlung, die von einer Szene auf der Erdoberfläche ausgeht, auf einen Sensor, wird durch die Sensoroptik gefiltert und als Spannungssignal erfasst, das in Zählwerte umgerechnet wird. Die Zählwerte werden an Referenzzielen mit bekannter Temperatur kalibriert, so genannten schwarzen Körpern, die Strahlung mit einem bestimmten Spektrum und mit einer entsprechenden temperaturabhängigen Spitzenwellenlänge aussenden. Daher ermöglicht die Kalibrierung, dass die Zählwerte in eine Helligkeits-Temperaturmessung umgewandelt werden können.

Kalibrierung und Validierung sind wichtige Bestandteile der Erstellung von qualitativ hochwertigen, zuverlässigen Datensätzen.

Alle ECV-Datensätze der CCI sind vollständig validiert und weisen ein hohes Maß an Rückverfolgbarkeit und Konsistenz auf, einschließlich quantitativer Schätzungen der Unsicherheit, die sowohl von der Klimawissenschaft als auch von den Modellierungsexpertinnen und Experten gefordert werden.