Meereis-Anwendungen inkl. Nutzungsmöglichkeiten von S2 und S3a

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1 Meereis-Anwendungen inkl. Nutzungsmöglichkeiten von S2 und S3a M-Talk am Iris Ehlert C3S Nutzerworkshop, DWD Offenbach,

2 72 N, 57 W Winter 2009/10 7 Monate Experiment 2

3 72 N, 57 W Gibt es irgendwo Satellitendaten, die ich nutzen kann? Wer betreibt ein Modell für diese Region, und wie komme ich an die Ergebnisse? Gibt es andere In-situ-Messungen in der Nähe? Woher bekomme ich meteorologische Daten? Wie sah es in den Wintern zuvor hier aus? 3

4 72 N, 57 W Gibt es irgendwo Satellitendaten, die ich nutzen kann? Wer betreibt ein Modell für diese Region, und wie komme ich an die Ergebnisse? Gibt es andere In-situ-Messungen in der Nähe? Woher bekomme ich meteorologische Daten? Wie sah es in den Wintern zuvor hier aus? Auf diese Fragen gibt es heute eine Antwort: marine.copernicus.eu Qualitätsgeprüfte Daten und Produkte zum physikalischen und biogeochemischen Zustand des Ozeans Reanalysen (10-45 Jahre), in Echtzeit (täglich, stündlich) und als Vorhersageprodukte (2-10 Tage) Bestmögliche Kombination von Satellitendaten, In-situ-Daten und Modellergebnissen 4

5 Schnittstelle CMEMS CAMS & C3S Ozean = zentrale Komponente im Klimassystem Ozean = Speicher für Wärme und Süßwasser: 93 % der Wärme (IPCC, 2015) davon 74 % in oberen 2000 m 19 % in Tiefen von über 2000 m Mehr als ¾ des gesamten Wasseraustausches zwischen Atmosphäre und Erdoberfläche durch Verdunstung und Niederschlag findet über Ozean statt Erwärmung des Ozeans führt zu globalem und regionalem Meeresspiegelanstieg mit Einfluss auf Erosionsprozesse an Küste Ozeane = Hauptsenke für anthropogenes CO2 30 % seit vorindustriellem Zeitalter Auch wenn Speicherung Klimawandel puffert => geht auf Kosten des marinen Ökosystems Ozeanversauerung führt zu Veränderungen der Biodiversität Meereis verändert Austausch zwischen Atmosphäre und Ozean Ice-Albedo-Feedback & Arctic Amplification: Schrumpfendes Meereis gibt Meerwasser frei, das von Sonne stärker erwärmt wird als Eis; wärmeres Wasser verstärkt Tauen des Meereises 5

6 Schnittstelle CMEMS CAMS & C3S Ozean = zentrale Komponente im Klimassystem Ozean = Speicher für Wärme und Süßwasser: Sentinel 2 & 3 93 % der Wärme (IPCC, 2015) davon 74 % in oberen 2000 m 19 % in Tiefen von über 2000 m Mehr als ¾ des gesamten Wasseraustausches zwischen Atmosphäre und Erdoberfläche durch Verdunstung und Niederschlag findet über Ozean statt Erwärmung des Ozeans führt zu globalem und regionalem Meeresspiegelanstieg mit Einfluss auf Erosionsprozesse an Küste Sentinel 3 Ozeane = Hauptsenke für anthropogenes CO2 30 % seit vorindustriellem Zeitalter Auch wenn Speicherung Klimawandel puffert => geht auf Kosten des marinen Ökosystems Ozeanversauerung führt zu Veränderungen der Biodiversität Meereis verändert Austausch zwischen Atmosphäre und Ozean Sentinel 1, 2, 3 Ice-Albedo-Feedback & Arctic Amplification: Schrumpfendes Meereis gibt Meerwasser frei, das von Sonne stärker erwärmt wird als Eis; wärmeres Wasser verstärkt Tauen des Meereises 6

7 ECV Sea ice Variabilität von Meereis = Schlüsselparameter für Klimavariabilität und Klimawandel in Polarregionen Konzentration Fläche und Ausdehnung Eistyp Bewegung Deformationen Dicke Volumen Meereis verändert Oberfächenstruktur, Oberflächenwellen, Air-Sea-Exchanges von Wärme, Impuls, Feuchte und Treibhausgasen Einfluss auf Albedo Wassermassen unter Meereis werden durch Gefrieren und Schmelzen verändert 7

8 Ausdehnung des Meereises der Arktis im Jahresverlauf im Vergleich zum Durchschnitt von 1981 bis

9 Abweichung der Lufttemperatur im Oktober in der Arktis 9

10 Abweichung der Meeresoberflächentemperatur Ende Oktober vom langjährigen Mittel zu dieser Jahreszeit 10

11 Das dickste Eis der Arktis (helles Weiß-Blau, es bedeckte einst eine deutlich größere Fläche) schrumpft Studien zufolge um gut zehn Prozent pro Jahrzehnt seit Ende der Siebzigerjahre. 11

12 Meereisausdehnung weltweit: Jede Kurve zeichnet ein Jahr seit 1978 nach, die rote Linie dokumentiert die Entwicklung in diesem Jahr - das globale Meereis schrumpft seit einigen Wochen. 12

13 Schnittstelle CMEMS CAMS & C3S Ozean = zentrale Komponente im Klimassystem Verständnis ozeanischer Prozesse trägt also entscheidend dazu bei, Klimavorhersagen, Klimaprojektionen und numerische Wettervorhersagen zu verbessern Temperatur Strömung Salzgehalt Ozeanfarbe Wellen Meereis 13

14 Satellite observations of sea ice Meereis-Ausdehnung und Konzentration seit 1979 durch passive Mikrowellen-FE Meereisklassifizierung durch SAR backscatter from ENVISAT und Radarsat Meereisdicke durch Radar und Laser-Altimetrie Schneedicke und Dichte von Meereis nach wie vor problematisch Meereis-Ausdehnung und Konzentration werden heute in gekoppelte Ozean- Meereis-Modelle assimiliert Eisdicke von Radar-Altimetern und L-Band Mikrowellen Radiometern (Z. B. Cryosat, SMOS) Kontinuität der Messungen durch Sentinels gesichert Radarmessungen in Polarregionen unabdingbar (Polarnacht, Wolken, Herausforderung In-situ-Messungen) 14

15 72 N, 57 W BSH-Eisdienst als Nutzer von Fernerkundungsdaten 15

16 Mit den Sentinel- Satelliten gibt es optische Bilder mit einer noch nie da gewesenen Auflösung Seit 1990 werden am BSH Satellitendaten für den Eisdienst bereitgestellt Mit den Sentinel-Satelliten des Copernicus-Programms gibt es: Alle 1,5 Tage Radarbilder mit Auflösung von 5 x 20 m für die nördliche Ostsee Alle 10 Tage optische Bilder mit Auflösung von 10 x 10 m für die südliche Ostsee 16

17 Welchen Eistyp sehe ich auf dem Bild? Wachstumsphasen von Meereis Nadel eis Eisbrei Helles und dunkles Nilas Pfannkuchen -eis Junges Eis (grau oder weiß) cm Einjähriges Eis (30 - >120 cm) Mehrjähriges Eis 17

18 Heutige Eismodelle haben Verbesserungspotential bzgl. Modellierung von gefährlichen Presseisrücken Für Eiskarten generell ein großer Gewinn: Eisbeobachter sehen nur einen kleinen Teil Symmetric-finger rafting From Volkov and Voronov, 1967 Sentinel-Daten helfen, neue Ansätze zu finden Copernicus-Produkte können helfen, die Eis- Vorhersage zu verbessern Pressure ridging From Sanderson, 1988 Nutzer der BSH-Eiskarten Reedereien Zuliefererschiffe Andere Eisdienste Offshore-Industrie 18

19 Die Sentinel-Daten erleichtern die Arbeit des BSH-Eisdienstes Für Eiskarten generell ein großer Gewinn: Eisbeobachter sehen nur einen kleinen Teil Symmetric-finger rafting From Volkov and Voronov, 1967 Heutige Eismodelle haben Verbesserungspotential was Modellierung von gefährlichen Presseisrücken angeht Sentinel-Daten helfen, neue Ansätze zu finden Die frei verfügbaren Pressure ridging Satellitenbilder sind ein großer Gewinn für die Erstellung von Eiskarten. Copernicus-Produkte können helfen, die Eis- Vorhersage zu verbessern From Sanderson, 1988 Nutzer der BSH-Eiskarten Reedereien Zuliefererschiffe Andere Eisdienste Offshore-Industrie 19

20 72 N, 57 W Struktur von CMEMS 20

21 Struktur und Elemente der marinen Copernicus-Dienste Beobachtungsdaten (TAC) Satellite Sea Level Ocean Color Sea ice In-situ Data In-situ Pre-processing Modellvorhersagen und analysen (MFC) Northwest Arctic Baltic Shelf Global Processing IBI Mediterranean Black Sea Information Product Management Outreach User Interface Communication 21

22 Struktur und Elemente der marinen Copernicus-Dienste Beobachtungsdaten (TAC) Satellite Sea Level Ocean Color Sea ice In-situ Data In-situ Pre-processing Modellvorhersagen und analysen (MFC) Northwest Arctic Baltic Shelf Global Processing IBI Mediterranean Black Sea Information Product Management Elemente mit BSH-Beteiligung Outreach User Interface Communication 22

23 72 N, 57 W BSH-CMEMS-Produkte 23

24 BSH betreibt das Backup-Modellsystem für das Baltic MFC Wettervorhersagen des DWD Physikalische Ozeanvorhersagen Horizontale Auflösung: 1 Seemeile Vertikale Auflösung: 5 m bis ~100 m Wasserstand Strömung Temperatur Salzgehalt Meereiskonzentration Meereisdicke 24

25 BSH betreibt das Backup-Modellsystem für das Baltic MFC Wettervorhersagen des DWD Physikalische Ozeanvorhersagen Horizontale Auflösung: 1 Seemeile Vertikale Auflösung: 5 m bis ~100 m Wasserstand Strömung Temperatur Salzgehalt Meereiskonzentration Meereisdicke Mixed-Layer-Depth 25

26 BSH betreibt das Backup-Modellsystem für das Baltic MFC Wettervorhersagen des DWD Physikalische Ozeanvorhersagen Vorhersagen zur Wasserqualität (Biogeochem.) Horizontale Auflösung: 1 Seemeile Vertikale Auflösung: 5 m bis ~100 m Wasserstand Strömung Temperatur Salzgehalt Meereiskonzentration Meereisdicke Mixed-Layer-Depth Nitrat Phosphat Sauerstoff Chlorophyll 26

27 Beispielanwendung Sentinel-2: Algenblüte in der Ostsee (August 2015) Hohe Temperaturen, relativ ruhiger Seegang und Auswirkungen einer seit Jahrzehnten andauernden Überdüngung der umliegenden Landstriche mit Phosphat sorgten für überproportional starke Algenblüte auf der Ostsee Höher aufgelöste Beobachtungen und Modelle für das Verständnis dieser komplexen, dynamischen Ökosystemprozesse vonnöten Source: Copernicus Sentinel data (2015)/ESA Quelle: 2/Sentinel-2_catches_eye_of_algal_storm 27

28 Algenblüten sind relevant für Touristen, Umweltschutzbehörden und Fischerei Bild: picture-alliance, dpa, Quelle: ntv.de Bild: Reuters/ESA, Quelle: geo.de Bild: Oregon State University, Quelle: scinexx.de 28

29 CMEMS-Satellitendaten für Evaluierung modellierter Chlorophyll-Konzentration Chlorophyll-Konzentration 57 N April April N April N N N 6 E 8 E 0 [mg/m 3 ] 53 N 6 E 8 E 0 [mg/m 3 ] Ergebnisse vom Ökosystemmodell Gemessen vom Satelliten 29

30 Ergebnisse für Bodensauerstoff kann man nicht mit Satellitenmessungen evaluieren Chlorophyll-Konzentration Algenblüte reduziert Bodensauerstoff: Fischsterben Evaluation von modelliertem Bodensauerstoff: In-situ-Daten notwendig! 57 N April April N April N N N 6 E 8 E 0 [mg/m 3 ] 53 N 6 E 8 E 0 [mg/m 3 ] Ergebnisse vom Ökosystemmodell Gemessen vom Satelliten 30

31 Main in-situ elements of the global ocean observing system Juni

32 Main in-situ elements of the global ocean observing system Juni

33 In-situ-Datenzugang über emodnet.eu/physics BSH stellt In-situ-Daten für Nordwest-Schelf qualitätsgeprüft und INSPIREkonform zur Verfügung Daten werden im NWS-Portal visualisiert und sind von dort auch downloadbar Emodnet integriert In-situ-Daten aller Verteilungseinheiten und visualisiert sie für letzte 60 Tage Bei älteren Daten wird direkt auf marine.copernicus.eu verlinkt Schiffe Argo Glider Drifter Verankerungen Bojen 33

34 In-situ-Datenzugang Daten vom Nordwestschelf werden im NWS- Portal visualisiert und sind von dort auch downloadbar Emodnet integriert Insitu-Daten aller Verteilungseinheiten und visualisiert sie für letzte 60 Tage Bei älteren Daten wird direkt auf marine.copernicus.eu verlinkt emodnet.eu/physics Schiffe Argo Glider Drifter Durch Copernicus werden qualitätsgeprüfte Daten Bojen in einer einheitlichen Struktur nachhaltig zur Verfügung gestellt. Verankerungen 34

35 Multi-Modell-Ensemble von operationellen Vorhersageprodukten für den Nordwestschelf und die Ostsee Deutschland, Dänemark, UK, Belgien, Norwegen, Schweden, Finnland, Estland Erstmals tägliche Unsicherheitsabschätzung: BSH liefert Multi-Modell- Ensemble für operationelle Vorhersageprodukte für Nordwest- Schelfgebiet und Ostsee 48h-Vorhersagen für T, S, Strömung an Oberfläche T, S am Boden Transporte Produktevaluierung an Offshore-Stationen (T, S) und mit Satellitendaten (für SST) Beispiel rechts: Monatliche Evaluation der SST-Multi-Modell-Ensemble-Vorhersage 60 N 58 N 56 N 54 N 52 N 50 N Abweichung der Multi-Modell- Ensemble-Vorhersage von Satellitenmessungen 3 W 0 3 E 6 E 35

36 Wasserstand [cm] Gewichtete Vorhersagen von Wasserständen: MME besser als jedes einzelne Modell Vorhersage für letzte 2 Tage Aktuelle Vorhersage 0 Durch Copernicus und Kooperationen in NOOS und BOOS -10 gibt es erstmals Unsicherheitsabschätzungen für operationelle Ozeanvorhersagen : : : : :00 36

37 Assimilation von Satelliten- und In-situ-Daten zur Verbesserung der Vorhersagegüte Abdeckung der für Assimilation verwendeten Daten N N N 48 N Wolken! Scanfish- und CTD-Daten (Profile T & S) MARNET-Daten (Zeitserien T & S) 0 8 E 16 E 24 E [ C] 37

38 72 N, 57 W CMEMS-Nutzerfeedback Schlussfolgerungen und Ausblick 38

39 Fachkoordination des Dienstes zur Überwachung der Meeresumwelt und Kontaktstelle 2010: Interministerieller Ausschuss für Geoinformationswesen (IMAGI) der Bundesregierung ernennt für jeden der 6 Copernicus-Dienste einen Fachkoordinator BSH zum Fachkoordinator für Überwachung der Meeresumwelt ernannt Bernd Brügge Unsere Aufgabe: Prozess der Implementierung von Copernicus-Daten in öffentliche operationelle Dienste verbessern Kontakt zu (potentiellen) Nutzern herstellen Entwicklung von Start-Ups und kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) fördern 39

40 Forschungseinrichtungen KMUs Behörden KMUs 3. Befähigen und Begleiten F&E Anwendung Dienst SenSat- Bekanntmachung (2011, 2012, 2013) Pilotvorhaben Implementierungs- und Validierungsvorhaben Fachkoordinatoren 40

41 Forschungseinrichtungen KMUs Behörden KMUs Forschungseinrichtungen 3. Befähigen und Begleiten F&E Anwendung Dienst??? SenSat- Bekanntmachung (2011, 2012, 2013) Pilotvorhaben Implementierungs- und Validierungsvorhaben Fachkoordinatoren 41

42 Chance: Förderung von Downstream-Projekten Downstream-Projekte als: Schnittstelle zwischen europäischer und national-regionaler Ebene Partner aus Behörden, Industrie, Forschung entwickelten Dienste Nutzeranforderungen werden durch Kontaktstellen bis in europäische Ebene hineingetragen Projekte haben sehr häufig Problem der Übernahme von Neuentwicklungen in operationellen Betrieb auf europäischer Ebene wird Problem vermieden: der marine Copernicus- Dienst wird dauerhaft von der EU finanziert National: ungeklärt 42

43 Was fehlt noch? Wir brauchen mehr In-situ-Messungen in den Küstenzonen, wo Großteil der Bevölkerung lebt und wo die Einflüsse des Klimawandels auf die Gesellschaft am ehesten zu spüren sind Extremereignisse, Veränderung des Ökosystems Meereis Seegraswiesen Wattenmeere Reagieren extrem sensitiv auf Klimawandel, insbesondere auf: Meeresspiegel Temperatur Salzgehalt Niederschlag Frischwasserzufuhr Ozeanversauerung Wind, Strömung, Wellen Vor allem in Kombination mit Änderungen an Land und in Atmosphäre 43

44 Schlussfolgerungen und Ausblick Modellevaluierung und Reanalysen wären ohne Copernicus-Infrastruktur unmöglich gewesen SST allein reicht nicht, wenn man Auswirkungen und weitere Entwicklung des Klimawandels kommunizieren will ECV Wie vermittelt man den Einfluss des Klimawandels auf die Gesellschaft inklusive steigender Risiken für Infrastruktur, Lebensmittelsicherheit, Wasserressourcen? Dienste-übergreifendes Downstream-Projekt? Wir haben viel zu viele Daten, viel zu wenig Brain und viel zu wenig IT (Martin Werscheck) 44

45 Zukünftige Zusammenarbeit zwischen CMEMS und CAMS & C3S IMO-Umweltausschuss ( ) Marine Environment Protection Committee (MEPC) Beschluss: Schwefelgrenzwert 0,50 % ab 2020 Ausreichende Produktionskapazitäten für niedrigschweflige Kraftstoffe stehen zur Verfügung Ab 1. Januar 2020 gilt weltweiter Grenzwert von 0,50 % Anteilen Schwefel im Schiffskraftstoff Stickoxid-Emissionsüberwachungsgebiet (NECA) in Nord- und Ostsee ab 2021 MEPC 70 hat auf Antrag der Ostsee- und Nordseeanrainerstaaten die Ostsee sowie die Nordsee mit dem Englischen Kanal als Emissionsüberwachungsgebiet für Stickoxide (Nitrous Oxide Emission Control Area - NECA) erklärt strengere Grenzwerte für Stickoxid-Emissionen aus Schiffsmotoren ab 1. Januar