Inhalt

Abbildungs  - und Tabellenverzeichnis  3

1  EINLEITUNG  4

1.1  Problemstellung und Konzeption.  4

1.2  Forschungsstand der Niederschlagsfernerkundung.  4

1.3  Konventionelle Methoden der Niederschlagsmessung.  5

2  FERNERKUNDUNGSMETHODEN ZUR NIEDERSCHLAGSBESTIMMUNG  6

2.1  Satellitengestützte Verfahren  6

2.1.1  Optische Verfahren unter Verwendung des IR- und VIS Kanals.  6

2.1.2  Passive Mikrowellen-Methoden.  11

2.2  Das Bodenradar.  14

2.2.1  Das Messprinzip  14

2.2.2  Interpretationsprobleme von Radardaten  15

2.2.3  Radarmessung in Deutschland: Der Radarverbund des Deutschen Wetterdienstes  16

3  FALLBEISPIELE: TRMM UND MSG  18

3.1  Tropical Rain Measuring Mission (TRMM)  18

3.1.1  Missionsdaten.  19

3.1.2  Sensorik  20

3.2  Meteosat Second Generation (MSG)  21

3.2.1  Die Mission im Überblick  22

3.2.2  Sensorik  22

3.2.3  Wie funktioniert MSG?  23

4  FAZIT UND AUSBLICK.  23

5  LITERATUR.  25

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Abbildungs  - und Tabellenverzeichnisse  

Abbildung  1 Grifith-Woodley Technik  10

Abbildung  2 Helligkeitstemperatur und berechnete Regenrate.  12

Abbildung  3 Radarverbund des DWD  16

Abbildung  4 PL-Kompositbild mit farbigen Warnpunkten des DW-Produktes  17

Abbildung  5 TR-MMOrbit.  19

Abbildung  6 Tropensturm Epsilon  20

Tabelle 1  Rainfall probabilities and intensities as related to satellite-  

observed  states of the sky  7

Tabelle 2  Eigenschaften von Wolkentypen in verschiedenen Spektren.  8

Tabelle 3  Vergleich Meteosat First Generation und MSG.  22

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1 Einleitung

1.1 Problemstellung und Konzeption

Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über die wichtigsten Methoden der Niederschlagsbestimmung durch Fernerkundungstechniken. Des Weiteren wird durch das Aufzeigen von aktuellen Fallbeispielen auf die praktische Relevanz dieser Thematik hingewiesen.

Niederschlag ist ein entscheidender Bestandteil des globalen Wasserkreislaufes und garantiert die Verfügbarkeit von Wasser und somit auch das Leben auf der Erde. Zusätzlich zählt Niederschlag zu einer entscheidenden Energiequelle und als Antriebsmotor der atmosphärischen Zirkulation, da bei seiner Bildung beträchtliche Mengen an latenter, gespeicherter Wärme frei werden. Insgesamt 75% der gesamten Wärmeenergie der Atmosphäre resultieren aus dem Entstehen von Niederschlag. Auch aus diesem Grund ist die genaue Kenntnis von Niederschlag für ein Gesamtverständnis aller meteorologischen- und klimatologischen Prozesse von großer Bedeutung. Hierbei können moderne Methoden der Fernerkundung entscheidende Beiträge leisten. Sie liefern unter anderem Informationen zur weltweiten räumlichen- und zeitlichen Variabilität von Niederschlägen und sind daher für viele Anwendungsgebiete von Relevanz. Hierzu zählen Anwendungen im Bereich der Meteorologie, Wasserwirtschaft, Ozeanographie, Hochwasservorhersage, Transport sowie Management von Wasserressourcen. Im Hinblick auf eine weltweite Verknappung von Wasserressourcen, besonders in den Entwicklungsländern, erhält die gesamte Problematik einen zusätzlichen politischen Aspekt. Gerade in dieser Hinsicht sind zuverlässige Aussagen zu Niederschlagsverhältnissen undentwicklungen von großer Bedeutung (LEVIZZANI (I) et.al, 2004).

1.2 Forschungsstand der Niederschlagsfernerkundung

Obwohl die Niederschlagsmessung durch Fernerkundung eine recht junge Forschungsgeschichte vorzuweisen hat, sind auf diesem Feld bereits erhebliche Fortschritte gemacht worden. Bei der Niederschlagsbestimmung kann man auf verschiedene Datentypen zurückgreifen. Man bezieht sich dabei vorwiegend auf Daten aus dem infraroten- und sichtbaren Spektrum (IR/VIS), aus dem passiven Mikrowellenbereich (PMW) und auf Radardaten. Niederschlagsdaten, basierend auf Radar und passiver Mikrowelle, sind im Bezug auf niederschlagswirksame Prozesse innerhalb der Wolke aussagekräftiger als IR/VIS-Daten. Dieser Umstand ist mit der engeren Knüpfung der Mikrowellen- bzw. Radarstrahlung an wolkenphysikalische Strukturen zu begründen. Die internationalen Bemühungen und Forschungsschwerpunkte der

Niederschlagsfernerkundung liegen im wesentlichen in folgenden Feldern:

• Mikrophysik der Wolken und Wolkenmodellierung für bessere Regen-Wiedergewinnungs-Algorithmen (rain retrieval algorithms)

• Gemeinschaftsmissionen, wie zum Beispiel die Global Precipitation Measurement (GPM) bzw. das europäische Pendant dazu (EGPM), Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM)

• Internationale Teams wie z.B. die International Precipitation Working Group (IPWG) und das Global Precipitation Climatology Project (GPCP)

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Des Weiteren gibt es noch einige ungelöste Probleme und Fragen:

• die Messung festen Niederschlags in höheren Breiten

• die Messung von leichtem Regen und geringen Regenraten bei stratiformem Niederschlägen

• Synergien zwischen passiven und aktiven Sensoren. Bevor im Abschnitt 2 die einzelnen Fernerkundungsmethoden näher erläutert werden, soll zunächst auf die konventionellen Methoden der Niederschlagsmessung kurz eingegangen werden (LEVIZZANI (I) et.al, 2004).

1.3 Konventionelle Methoden der Niederschlagsmessung

Die klassische Niederschlagsmessung beschränkt sich meist auf den fallenden Niederschlag und ermittelt das Niederschlagsvolumen pro Flächeneinheit, d.h. die Niederschlagsmenge. Als Maßeinheit verwendet man Liter pro Quadratmeter (l/m²), was einer Niederschlagshöhe in mm entspricht. Als Messgerät wird meist ein an einem Pfahl angeschraubtes, zylinderförmiges Gefäß mit einer nach oben gerichteten Öffnung von 200cm² verwendet (Regenmesser, z.B. Regenschreiber nach Hellmann). Im Inneren befindet sich ein Trichter, welcher den Niederschlag in das Messgefäß leitet. Dieses Gefäß kann z.B. bei der täglichen Messung entnommen werden oder ist mit einer schreibenden Registriereinrichtung versehen. Aufgrund der Tatsache, dass es sich hierbei um reine Punktmessungen handelt, ergeben sich hinsichtlich der flächenhaften Niederschlagsmessung erhebliche Probleme. Außerdem gibt es kaum Messstationen für die Gebiete der Ozeane. (SABINS, F. F., 1997). Durch verschiedene Interpolationsansätze, wie z.B. der Thiessen-Polygon-Methode oder der Isohyeten-Methode, wird versucht aus den Punktmessungen Flächenbezüge herzustellen. Natürlich beinhalten diese hohe Fehlerquoten, da die räumliche Variabilität des Niederschlags nicht exakt erfasst werden kann.

Des Weiteren sind die Punktmessungen selbst recht ungenau. Aufgrund kleiner Referenzflächen, Verdunstungs- und Spritzwassereinfluss, Schneehauben, Windeinfluss, Benetzungseinfluss (Messung erst ab bestimmtem Volumen) und Fehlern im Gefäß, können Messungenauigkeiten von 20-100 % auftreten. Der Faktor Wind allein kann beispielsweise bei Schneefall zu Messfehlern von 50% führen (SCHÖNWIESE, 2003). Den Windeinfluss sollen verschiedene Schutzvorrichtungen um die Auffangöffnung des Niederschlagsmessers entgegenwirken. Dies hat jedoch zu einer international recht vielfältigen Bauweise geführt, was die Vergleichbarkeit dieser Messungen einschränkt (HYDROSKRIPT, 2003). Weitere Störfaktoren sind Geländeneigung, Bewegungen der Messstationen, zum Beispiel auf Schiffen, Inhomogenitäten in der Umgebung, wie Astwuchs, Hochhausbau usw. (SCHÖNWIESE, 2003).

Trotz der Fehlerhaftigkeit sind diese Verfahren am direktesten. Alle anderen Messverfahren durch Fernerkundung sind in gewisser Hinsicht immer indirekt, da nur Echos oder Indikatoren, nicht jedoch der Niederschlag selbst registriert werden kann. Des Weiteren erfordern konventionelle Systeme im Vergleich zu

Niederschlagsradaren keinen hohen finanziellen und technologischen Aufwand und sind daher für manche Regionen der Erde die einzigen Datenquellen. Die konventionellen Punktmessungen sind für viele Anwendungen der

Niederschlagsfernerkundung von großer Bedeutung und werden zur deren Kalibrierung und Verifizierung eingesetzt. Daher sind Punktmessungen die Voraussetzung für zuverlässige und exakte Fernerkundungsdaten (CARLETON, 1991).

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2 Fernerkundungsmethoden zur

Niederschlagsbestimmung

2.1 Satellitengestützte Verfahren

Bei der Niederschlagsfernerkundung kann man prinzipiell satellitenbasierte und bodenbasierte Methoden unterscheiden. Wie bereits erwähnt, zählen zu den satellitengestützten Techniken optische Verfahren unter Verwendung des IR- und VIS Kanals, sowie Messungen mit passiver Mikrowellenstrahlung (PMW). Im Vergleich zu den bodengestützten Verfahren können hierbei ausreichend große Räume flächendeckend erfasst werden. Vor allem über den großen Ozeangebieten liefern Satellitendaten die einzigen flächendeckenden Niederschlagsinformationen. Zur Validierung und Verifizierung der verschiedenen Fernerkundungsverfahren werden oberflächenbasierte Messungen von Atmosphäre und Wetterbedingungen vom Land oder vom Schiff aus benutzt. Meist bezieht man sich auf Daten von Niederschlagsradaren, außerdem können atmosphärische Sondierungen und Daten von Niederschlagsstationen als Vergleichmöglichkeit herangezogen werden. Auch das Bodenradar muss durch Niederschlagsstationen selbst validiert werden.

2.1.1 Optische Verfahren unter Verwendung des IR- und VIS Kanals

Die ersten Regenschätzungen durch Satelliten wurden mit Hilfe des IR- und VIS-Kanals durchgeführt (REUDENBACH, C., 2003). Aufgrund der Tatsache, dass die Strahlung die Wolke nicht durchdringen kann, wird der Niederschlag von der thermalen und sichtbaren Ausstrahlung der Wolkenoberfläche abgeleitet und bestimmt. Da die Niederschlagspartikel nicht Gegenstand der Untersuchungen sind, handelt es sich hierbei stets um indirekte Verfahren. (KIDDER, S. Q. et.al., 1995). Man bedient sich vor allem einer Vielzahl von Indikatoren, die mehr oder weniger mit Niederschlag in Verbindung stehen, wie zum Beispiel dem Wolkentyp, der Wolkenmächtigkeit, der schon erwähnten Wolkenoberflächentemperatur (CTT) und dem Wolkenflächenausmaß. Die verwendeten methodischen Ansätze sind sehr vielfältig und lassen sich in folgende messmethodische Familien unterteilen:

• Cloud Indexing

• bispektrale Algorithmen

• Lebenszyklus Algorithmen

• Wolkenmodell Algorithmen (KIDDER, S. Q. et.al., 1995).

Wolken Indexing

Das Wolken-Indexing gehört zu den ältesten Niederschlagsbestimmungsmethoden durch Fernerkundung. Auf Basis von IR/VIS-Satellitenbildern kommt es zu einer Identifikation von Wolken und der Zuordnung von bestimmten Regenraten für einen definierten Wolkentyp (KIDDER, S. Q. et.al., 1995). Die verschiedenen Techniken beinhalten eine anfängliche Kalibrierungsphase, bei der die Wolkenbilder analysiert und in Beziehung zu bodengestützten Messungen gebracht werden. Aus den Beziehungen werden empirische Werte für Gleichungen gewonnen, die bei der Berechnung des Niederschlags nützlich sind (SUMNER, G., 1988). Der Niederschlag an einem bestimmten Punkt wird definiert durch R= ∑

r , wobei R der Regen, r i die i f

i

i

nach Wolkentyp zugeordnete Regenrate und f i die Fraktion der Zeit ist, bei der ein

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Punkt oder eine Fläche durch den Wolkentyp i bedeckt ist (KIDDER, S. Q et.al., 1995). Mittels Regressionstechniken wird ein statistischer Zusammenhang zwischen Wolkenoberflächentemperatur und bodengestützten Niederschlagsmessungen hergestellt (KIDDER, S. Q et.al., 1995).

Bei der Methode von Barret & Curtis 1976 wurden sogenannte Nephanalysis (Wolkenanalysen) dazu verwandt, um die Wolkenbedeckungen in Beziehung zur statistischen Wahrscheinlichkeit und Intensität von Regen zu setzen (CARLETON, A. M., 1991). Dabei identifizierten sie auf Basis der Wolkengröße, -form, -helligkeit und -textur, sowie in Abhängigkeit von Art und Verhalten des Wolkenschattens fünf verschiedene Wolkentypen: Cirriform, Stratiform, Stratocumuliform, Cumuliform, Cumulonimbus. Als niederschlagsverursachende Wolken wurden Cumulonimbus, große Cumulus (z.B. Cumulus congestus) und Nimbostratus, die bevorzugt an Frontalniederschlägen auftreten, herausgestellt. Barret entwickelte zunächst die sog. „Bristol“-Methode, in dem er den Niederschlag über Perioden eines Monats für Flächen von 2,5°x 2,5° berechnete. Diese Technik wurde später verbessert, sodass tägliche Niederschlagsberechnungen über kleine Flächen (1/6°x 1/6°) möglich waren. Für die Berechnung des Niederschlags waren folgende Wolkenparameter erforderlich:

• Wolkenfläche

• Wolkentyp

• Wolkenhöhe.

Daraus ergibt sich ein funktionaler Zusammenhang: R = , wobei R der )) ( , ( a i c f

Gesamtniederschlag, c die Wolkenfläche und a die Wolkenhöhe darstellt. Die Wolkenparameter wurden für große Flächen gewonnen und in Beziehung zu meteorologische Tabellen, siehe Tabelle 1, gesetzt.

(From Barret 1970)

Quelle: SUMNER, G., 1988

Die Technik von Barret wurde ursprünglich für Australien und die tropische Pazifikregion konzipiert und konnte auch in vielen anderen Regionen erfolgreich eingesetzt werden. Hierzu zählen insbesondere Gebiete, die durch konventionelle Messstationen unzureichend abgedeckt sind (SUMNER, G., 1988). Eine andere Verfahrenstechnik ist von Arkin 1979 im Zusammenhang des GARP Atlantic Tropical Experiment (GATE) entwickelt worden (REUDENBACH, C., 2003). Unter Verwendung von GOES Infrarotdaten wurde ein Zusammenhang zwischen Wolkenoberflächetemperaturen und radargemessenen Niederschlägen erstellt. Arkin fand heraus, dass die gemessenen Niederschläge des Bodenradars hoch korrelativ (0,86) zu den Wolkenflächenanteilen, mit einer Oberflächentemperatur unter 235K (-37°C) sind. Dabei steigt die Korrelation mit zunehmender Fläche und ansteigendem Beobachtungszeitraum. Arkin und Meisner (1987) bezeichneten ihre

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