Praktikum Beobachtungsnetze Versuch A. Remote Sensing. Abbildung 0.1: Quelle:

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1 Praktikum Beobachtungsnetze Versuch A Remote Sensing Abbildung 0.1: Quelle: Zusatzskript September 2014

2 Inhaltsverzeichnis 1 Satelliten Satelliteninstrumente Verarbeitung Satellitenmessungen Radar Wellenlängenbereich Radarbilder Messungen mit Radaren i

3 1 Satelliten 1.1 Satelliteninstrumente Da im Praktikum unter anderem mit MODIS Daten gearbeitet wird, sind hier exemplarisch ein paar wichtige Fakten zu diesem Instrument aufgelistet. MODIS steht für MODerate resolution Imaging Spectroradiometer: Die Breite des Streifens auf der Erdoberfläche, den MODIS in einem Überflug abdeckt, beträgt 2330 km. MODIS besitzt 36 spektrale Kanäle zwischen und µm (siehe Tabelle 1.1). Zum Vergleich: Eine Digitalkamera hat 3 spektrale Bereiche ( 3 Grundfarben). Die horizontale Auflösung ist wie bereits erwähnt 250m (Kanäle 1 2), 500m (Kanäle 3 7) und 1 km (Kanäle 8 36). Tabelle 1.1 zeigt einen Überblick über die unterschiedlichen Kanäle von MODIS. Für weitergehende Informationen (incl. Info-Broschüre, Demo-Video) sei auf die MODIS- Webseite verwiesen. 1.2 Verarbeitung Satellitenmessungen Die vom Satelliteninstrument gemessen Strahlungsintensitäten selbst werden in der Regel nicht direkt verwendet, sondern müssen meistens noch aufwändig weiterverarbeitet werden, um z.b. geometrische Verzerrungen, die durch unterschiedlich Betrachtungswinkel entstehen, zu korrigieren. Dabei werden Verfahren aus der Bildverarbeitung eingesetzt. Aus den Intensitäten eines Kanals, oder mehrerer Kanäle werden dann mittels komplizierter mathematischer Methoden physikalische, chemische oder auch biologische Parameter abgeleitet. Diese Verfahren sind je nach Parameter sehr verschieden und beinhalten sehr viel Wissen über die jeweiligen physikalischen, chemischen oder biologischen Prozesse in der Atmosphäre, am Boden oder im Wasser, und wie diese sich auf die Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge auswirken. Aus diesem Grund wird im Praktikumsversuch nicht näher auf diese Verfahren eingegangen, sondern der Schwerpunkt auf die möglichen Anwendungsgebiete von Fernerkundungsdaten mit Bezug zur Atmosphäre gelegt. Die in Tabelle 1 aufgelisteten Anwendungsgebiete für das Instrument MODIS vermitteln aber einen Eindruck davon, wie vielseitig Satellitendaten auch in vielen anderen Bereichen wie z.b. Geographie, Hydrologie, Biologie, Umweltbeobachtungen etc. eingesetzt werden können. Um aus Satellitendaten Information (über die Atmosphäre) abzuleiten sind noch eine Reihe von Überlegungen anzustellen bzw. mögliche Probleme zu berücksichtigen: Man erhält in der Regel nur Informationen über einen Teil der Troposphäre. Visuelle und IR-Bilder zeigen im Wesentlichen nur die Wolkenoberfläche oder bei klarem Wetter den Boden. 1

4 Wasserdampfbilder zeigen die obersten 3-4 km der Troposphäre. In tieferen Schichten wird die Strahlung zu stark absorbiert. Unter können Bilder vom Meteosat-Satelliten (zweite Generation MSG) angeschaut werden. Bei den Satellitenbildern werden, je nach gemessener Wellenlänge, drei verschiedene Bildtypen unterschieden: sichtbarer Kanäle (visible): 600 nm und 800 nm Infrarot-Kanäle (IR): 10.8 µm Wasserdampf-Kanal (WV = water vapor): 6.2 µm 2 Radar 2.1 Wellenlängenbereich Die Wellenlängenbereiche von Radargeräten werden in Bänder eingeteilt. Wetterradare arbeiten meist mit folgenden Wellenlängen bzw. Bändern: 3 cm: X-Band 5 cm: C-Band 10 cm: S-Band Bei der Wahl der Wellenlänge der Radargeräte muss ein Kompromiss zwischen der unerwünschten Abschwächung - mit welcher fehlerhafte Messungen verbunden sind - und den Kosten gefunden werden. Die Abschwächung von Radarwellen nimmt mit zunehmender Wellenlänge stark ab. Je länger die Wellenlänge, desto grösser und teurer werden jedoch die Radarantennen. Bei gleicher Empfangsleistung nimmt der Antennendurchmesser mit dem Quadrat der Wellenlänge zu. Eine weitere Einschränkung bei der Wahl der Wellenlänge ist die Rayleigh-Streuung. Nur im Bereich der Rayleigh-Streuung, also wenn D << λ (D = Teilchendurchmesser, λ = Radar-Wellenlänge) können Aussagen über den Teilchendurchmesser gemacht werden. Auch grosse Objekte (Hagelkörner) sollen noch in diesem Bereich liegen. 2.2 Radarbilder Die Radarbilder der MeteoSchweiz können je als Horizontal- und Vertikalschnitt angezeigt werden. In jeder Schnittfläche wird der Maximalwert auf die Darstellungsfläche projiziert. Vertikale Projektion: Ränder oben und rechts 2

5 1x2 km2 pro Bildpunkt 434 km lange Säule (Nord-Süd) 562 km lange Säule (West-Ost) horizontale Projektion: Bild mit Landesgrenzen, Flüssen, Seen 2x2 km2 pro Bildpunkt 12 km hohe Säulen werden auf die Ebene projiziert. 2.3 Messungen mit Radaren Primär wird die (Distanz-korrigierte) reflektierte Strahlung gemessen, nämlich die Reflektivität z, die proportional zur sechsten Potenz des Durchmessers der Niederschlagspartikel (D 6 ) ist. Die Einheit von z ist z = mm 6 /m 3, die Reflektivität wird aber meist in einer logarithmischen Grösse angegeben. Diese Grösse ist dimensionslos, d.h. sie hat keine Einheit. Um den logarithmischen Charakter von Z deutlich zu machen, wird sie jedoch immer in der dimensionslosen (Pseudo-) Einheit dbz angegeben, also Z = dbz Z = 10 log z z Man möchte nun von der gemessenen Reflektivität auf die Niederschlagsintensität schliessen, d.h. Z mit R über eine Beziehung miteinander verknüpfen. Die Niederschlagsintensität R (in mm/h) erhält man durch eine sogenannte z-r-beziehung der Form (1) z = A R B (2) wobei A, B: Scheinkonstanten, abhängig von der Art des Niederschlags sind. Die Beziehung ist aber nur näherungsweise, bzw. nur im Mittel gültig und es gibt für ein einzelnes Niederschlagsereignis Ungenauigkeiten beim Vergleich von berechnetem und gemessenem R. Diese Ungenauigkeiten können z. B. folgende Ursachen haben: Ungünstige Wahl der (Schein-)Konstanten A, B. Unterschiedliche Messflächen: 4 km 2 bei Radar, 0.01 m 2 bei Regensammlern; und daraus resultierend verschiedene Windeinwirkungen. Vernachlässigung der Fallzeit der Regentropfen. Helles Band (besonders hohe Reflektivität der Schmelzzone unterhalb der Nullgradgrenze), d.h. Radar misst zuviel Reflektivität. Abschattungs-Effekte durch Hügel und Berge. Durch Standzeichenmaske nicht eliminierte Standzeichen. Mit Hilfe von Radaren kann zum Beispiel die Art des Niederschlags klassifiziert werden. Man unterscheidet dabei konvektiven Niederschlag und stratiformen Niederschlag (Landregen): 3

6 Landregen entsteht durch grossräumige Anhebung einer Luftmasse (z.b. an einer Warmfront); er ist über grosse Gebiete homogen und zeitlich wenig variabel. Das helle Band ist in den Seitenrissen (horizontales Band) und im Grundriss (konzentrische Kreise) sichtbar. Manchmal beobachtet man stationäre Echos, verursacht durch Niederschläge gebildet von feuchten Luftmassen in einer Strömung, die an einem Hügel- oder Gebirgszug erzwungenermassen angehoben werden. konvektive Niederschläge haben eine inhomogene Zellen-Struktur. Niederschlagszellen entstehen durch Aufsteigen von Luftpaketen in einer labilen Schichtung. Auslöser ist meist eine lokale Erwärmung, eine erzwungene Hebung von feuchter und instabil geschichteter Bodenluft an einem Hindernis oder an einer Kaltfront. Nur bei konvektiven Niederschlägen kommt die höchste Intensitätsstufe (rot) im MeteoSchweiz-Radarbild vor. Diese höchste Intensitätsstufe deutet meist auf Hagel hin. 4

7 Tabelle 1.1: Liste der spektralen Kanäle von MODIS und deren Verwendungszweck Hauptanwendungsbereich Kanal Spektralbereich (nm) Land/Wolken/Aerosole Flächen Land/Wolken/Aerosole Eigenschaften Wasserdampf in der Atmosphäre Oberflächen/Wolken Temperaturen Temperatur der Atmosphäre Zirruswolken, Wasserdampf Wolkeneigenschaften Ozon Oberflächen/Wolken Temperatur Höhe der Wolkenoberkante