Arbeitsgebiet Regionale Anwendungen
Bestimmung von Windfeldern in der Helgol"ander Bucht mit ERS SAR-Bildern

Jens Dannenberg*, Ralf Schmidt, Georg Heygster
Projektförderer: IUP

Die Bestimmung von Windfeldern über ausgedehnten Seegebieten ist mit konventionellen Methoden sehr aufwendig. Um über dem offenen Ozean Windfelder zu bestimmen, werden deshalb Daten des Windscatterometers an Bord des europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-1 verwendet. Dieser Sensor ermittelt den normierten Radarrückstreuquerschnitt (Normalized Radar Cross Section, NRCS) der Wasseroberfläche. Da Wind die Meeresoberfläche aufraut und so ihre Rückstreueigenschaften beeinflusst, kann mittels eines numerischen Rückstreumodells aus dem NRCS die Windgeschwindigkeit ermittelt werden.

Für den Einsatz in Küstennähe ist das räumliche Auflösungsvermögen des Scatterometers (ca. 50 km) nicht ausreichend. Die Bilder des Synthetic Aperture Radars (SAR) des ERS-1 dagegen haben die nötige horizontale Aufösung (ca. 25 m). Für das hier verwendete Rückstreumodell (CMOD4) des Scatterometers müssen in Küstennähe zusätzliche Einflüsse auf den NRCS und die daraus abgeleiteten Windfelder berücksichtigt werden (z.B. Flussmündungen, Windschatten von Inseln, etc.). Es wird im Bereich der Deutschen Bucht untersucht, in welchen Küstenabschnitten diese Windbestimmungsmethode sinnvolle Resultate liefert. Dazu wird eine Segmentierung der SAR-Bilder vorgenommen, bei der Gebiete mit ähnlichem Rückstreuverhalten zusammengefasst werden (siehe Abbildung 7). Für jedes Segment wird eine Windgeschwindigkeit bestimmt. Dabei erhält man statistisch abgesicherte Werte für die mittlere Windgeschwindigkeit, ohne dass die Details des Windfeldes verloren gehen.

Ein Vergleich von Stationsmessungen auf Helgoland und Elbe 1 mit den Windgeschwindigkeiten, die in dem jeweils benachbarten Segmenten berechnet wurden, zeigt einen linearen Zusammenhang. Nach diesem Ergebnis ist eine Anwendung des CMOD4 auf SAR-Bilder zur Windfeldbestimmung in der Deutschen Bucht prinzipiell möglich. Ein Vergleich der berechneten Werte mit Stationsmeldungen zeigt, dass in der Nähe der Küstenlinie die Windgeschwindigkeit vom CMOD4 stark unterschätzt wird. Die Ursache für diesen Effekt ist vermutlich die Unterwasserbodentopographie der Deutschen Bucht. In den flachen Gebieten wird der langwellige Anteil des Seegangs ausgedämpft, was den Radarrückstreuquerschnitt der Wasseroberfläche unabhängig von der Windgeschwindigkeit verändert. Damit ist CMOD4 im Bereich der Deutschen Bucht nur eingeschränkt nutzbar. Um das gesamte Gebiet abzudecken, müsste ein Windmodell entwickelt werden, das die Einflüsse der Unterwasserbodentopographie mit einbezieht. Zur Entwicklung und Validierung eines solchen Modells wären Messkampagnen erforderlich.

Die Ermittlung der Windrichtung aus der Orientierung von atmosphärischen Grenzschichtrollen konnte aufgrund der eingeschränkten Datenlage nur exemplarisch durchgeführt werden. Nur auf zwei der ausgewerteten Bilder waren die Rückstreusignaturen von Grenzschichtrollen nachweisbar. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass auf diese Weise prinzipiell eine Windrichtungsbestimmung in der Deutschen Bucht möglich ist. Dadurch erhält man weitgehend unabhängig von externen Quellen eine Information über die Windrichtung zum Aufnahmezeitpunkt der SAR-Szene. Der Nachteil der Windrichtungsbestimmung aus Grenzschichtrollen ist die Tatsache, dass diese nicht in allen Bildern auftreten. Für einen operationellen Einsatz der Methode ist die Häufigkeit der speziellen Wettersituation entscheidend, bei der die Grenzschichtrollen ausgebildet werden. Daher ist es nötig, eine große Anzahl von SAR-Bildern aus verschiedenen Jahreszeiten auszuwerten.

Tagungsbeiträge

• Dannenberg, J., Bestimmung von Windfeldern in der Deutschen Bucht aus ERS-1 SAR-Bildern. Diplomarbeit am Fachbereich 1 (Physik und Elektrotechnik), Universität Bremen, 1999.
• Dannenberg, J., Schmidt, R., Klocke, B., Bestimmung von Windfeldern in der Helgoländer Bucht mit ERS-SAR Bildern. Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Heidelberg, 15.-19. März 1999.
• Dannenberg, J., Schmidt, R., Analyse von Windfeldstrukturen in der Helgolaender Bucht aus ERS SAR Bildern. Jahrestagung 1999 des Arbeitskreises "Geographie der Meere und Küsten" (AMK), Bremen 13.-15. Mai 1999.
• Dannenberg, J., Schmidt, R., Klocke, B., Estimation of Windfields in the German Bight from ERS-1 SAR Images. International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Hamburg, 28. Juni - 2. Juli 1999.

Abb.8: Mittlere Windgeschwindigkeiten der Segmente. In der linken Bildhälfte zeigt sich deutlich ein Bereich mit sehr hohen Windgeschwindigkeiten, der dem Verlauf einer Gewitterfront entspricht. Auffällig ist die sehr niedrige Geschwindigkeit, die in Küstennähe ermittelt wurde.