Arbeitsgruppe PHAROS: Physical Analysis of Remote Sensing Images

Arbeitsgebiet Polare Atmosphäre und Wolken
Wolkendetektion in polaren Gebieten (HYPAM C)


Norbert Schlüter*, Klaus-Peter Johnsen, Hendrik Laue**, Georg Heygster, Jungang Miao
Projektförderer: DFG

Wolken stellen für die Modellierung des Klimasystems in vielerlei Hinsicht eine Herausforderung dar. Sie sind in Modellen nur schwer zu beschreiben und beeinflussen das Gesamtsystem über zahlreiche Wechselwirkungsmechanismen. Dagegen ist das Wissen über Wolken eingeschränkt. Insbesondere für polare Gebiete, deren besondere Bedeutung für das globale Klima bekannt ist, existieren keine Wolkenklimatologien in hinreichender Qualität. Die geringe Anzahl an Meßstationen und die schwierigen klimatologischen Bedingungen sind der Hauptgrund für die schlechte Datenlage. Daher bieten Satellitendaten einen Ansatz, diesen Mißstand zumindest teilweise zu beheben. Allerdings lassen sich Wolken bzw. Wolkenparameter nicht direkt mit Satellitenmessungen erfassen, sondern müssen mit zum Teil aufwendigen Algorithmen abgeleitet werden.

Das Projekt HYPAM C bearbeitet die Multisensoranalyse von Hydrometeoren in polaren Gebieten. Ziel ist es, Daten verschiedener Sensoren einer Plattform gleichzeitig zu nutzen und so Inversionsverfahren zu verbessern. Im Laufe des Projektes hat es sich jedoch herausgestellt, dass auch die Daten einzelner Sensoren dieser Satelliten ein großes Verbesserungspotential zur Fernerkundung atmosphärischer Parameter in den Polargebieten besitzen. Hierzu wurden ebenfalls umfangreiche Arbeiten durchgeführt.

Es werden Sensoren der Satellitenserie Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) benutzt. Die verwendeten Sensoren sind das Operational Linescan System (OLS), ein Sensor im sichtbaren und infraroten Spektralbereich, der Special Sensor Microwave Imager (SSM/I), ein passives Mikrowellenradiometer, und der Special Sensor Microwave Water Vapor Profiler 2 (SSM/T2). Bei der Analyse von atmosphärischen Parametern und Phänomenen ist die Zeitgleichheit der einbezogenen Messungen von entscheidener Bedeutung, hier sichergestellt durch die ausschließliche Verwendung von Sensoren der DMSP-Satelliten. In den entwickelten Algorithmen werden nur Daten der Mikrowellensensoren und des OLS-Infrarotkanals genutzt, so daß sie zu allen Tages- und Jahreszeiten (insbesondere während der Polarnacht) eingesetzt werden können. Für die Daten der verschiedenen Sensoren wurden folgende Verfahren entwickelt:

  • OLS: Im zweiten Berichtzeitraums wurde der schon im ersten entwickelte Algorithmus zur Klassifikation von einzelnen Infrarotbilder verbessert. Die Normierung der Texturparameter wurde überarbeitet. Weiter werden nur noch solche Texturparameter berücksichtigt, die zur Klassifikation beitragen. Die richtige Klassifikation des betrachteten Datensatzes aus dem März 1992 betrug 88,0% ohne und 90,9% mit Überprüfung, in der die IR-Temperatur und die aus SSM/I-Daten ermittelten Eiskonzentrationen einbezogen wurden.

    Neu entwickelt wurde ein Verfahren zur Detektion von Wolken über dem antarktischen Kontinent. Es basiert auf der Differenz nahezu zeitgleicher Infrarotbilder von unterschiedlichen Satelliten. Da dieses Verfahren vor allem nichtstratiforme Wolken erfaßt, bietet es auch einen Ansatz zur Klassifikation von Wolken. Die Ergebnisse wurden mit Daten des sichtbaren Kanals für Sommerdaten (Januar 1996) und mit Daten des passiven Mikrowellensondierers SSM/T2 für Winterdaten (Juli 1995) verglichen.

  • SSMI/I: Aus den 37- und 85-GHz-Kanälen des SSM/I wird über Meereis und offenem Wasser eine Wolkensignatur, d.h. eine Linearkombination aus atmosphärischem Flüssigwassergehalt und Wasserdampf, berechnet.
  • SSM/T2: Für den Feuchtesondierer SSM/T2 wird ein Verfahren zu Bestimmung des Gesamtwasserdampfgehaltes im Bereich von 0 bis 6 kg/m2 entwickelt, siehe TWV.
  • Multisensoranalyse: Die Klassifikation der Infrarotbilder und das Infrarotdifferenzverfahren bilden die Grundlage für ein Multisensorverfahren. In einer Fallstudie für drei Tagen aus dem April 1998 werden die Analysen der Satellitendaten mit meteorologischen Daten und Radiosondenaufstiegen verglichen. Alle Daten wurden während einer Antarktis-Expedition mit dem Forschungsschiff Polarstern aufgenommen. Es wurde aufgezeigt, wie die Dektektion von Wolken zu einer Klassifikation erweitert werden kann.

Den zentralen Teil der Arbeit stellt die Dissertation von Schlüter dar (Schlüter, 2000). Eine Zusammenfassung davon ist zur Veröffentlichung in der Meteorologischen Zeitschrift eingereicht (Schlüter und Heygster, 2000). Zusätzliche Arbeiten zur Fernerkundung der Wolkensignatur über Meereis mit SSM/I (Miao et al., 2000) und des Gesamt-Wasserdampfgehaltes über Land- und Meereis aus SSM/T2-Daten (Miao et al., 2001) wurden durchgeführt.

Veröffentlichungen

  • N. Schlüter: Satellitenfernerkundung von Wolken mit Infrarot- und passiven Mikrowellensensoren in der Antarktis, Dissertation im Fachbereich Physik der Universität Bremen., Februar 2000.
  • J. Miao and K. Johnsen and S. Kern and G. Heygster and K. Künzi, Signature of clouds over Antarctic sea ice detected by the Special Sensor Microwave/Imager, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing 38,5, 2333-2345 2000
  • J. Miao, Klaus Kunzi, Georg Heygster, Tom A. Lachlan-Cope and John Turner, Remote Sensing of Antarctic Clouds with Infrared and Passive Microwave Sensors, Journal of Geophysical Research, in press 2001
  • N. Schlüter und Georg Heygster, Remote Sensing of Antractic Clouds with Infrared and Passive Microwave Sensors, submitted to Meteorologische Zeitschrift, 2000

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