Projekt: Zustand und Entwicklung von SST anhand von Satellitendaten – Detektion von räumlichen und zeitlichen Anomalien

Gruppe: Nina Maass, Bente Tiedje, Dennis Brüning

Einleitung

Schon seit vielen Jahrhunderten wissen peruanische Fischer von einem Phänomen, das mit einer Periode warmen wie auch kalten Wassers vor der Küste einhergeht. Es wird El Nino genannt, siehe unter anderem Rob Allan et al. (1996). Dieses Phänomen wie auch andere Einflüsse, z.B. der SST („ sea surface temperature“- Meeresoberflächentemperatur), sind wichtig für viele atmosphärische Variationen und die direkt darauf zurückzuführenden Auswirkungen über den gesamten Globus. Die Auswirkungen belaufen sich zum einen auf veränderte Strömungsmuster in der Atmosphäre und direkt darauf reagierende shifts des zeitlichen und räumlichen Niederschlages, z.B. in Indonesien mit einer Verstärkung oder Abschwächung der Walker Zirkulation; zum anderen aber auch auf modifizierte Strömungs-muster in Ozeanen. El Nino entscheidet auch darüber, ob es große Fischbestände vor der Küste Perus gibt oder diese sich zurückziehen. Aus diesem Grunde ist es wichtig zu wissen, wo und wann Temperaturanomalien der Meeresoberfläche und upwelling (oder downwelling) im Ozean vorzufinden sind und welchen Jahresgang sie vorweisen.

Früheste Methoden zur Bestimmung der SST waren einfach. Man entnahm mit Wassereimern von Schiffen Wasser vom Ozean in einer Tiefe und bestimmte mit Thermometern die Temperatur des entnommenen Wassers. Dieses Verfahren war nicht sehr konsistent und die Eintauchtiefe variierte von Behälter zu Behälter. Später benutzte man Wasserbojen, die in einer Tiefe von etwa einem Meter die Temperatur des Ozeanwassers maßen. Erst 1990 konnte das National Data Buoy Center (NDBC) der Vereinigten Staaten ein großflächiges Bojennetzwerk über den äquatorialen pazifischen Ozean aufbauen, das zur Messung und zur Vorhersage von El Nino- Ereignissen genutzt wird. Allerdings können nur Messungen der SST von Satelliteninstrumenten, z.B. das Instrument MODIS oder AVHRR, eine komplette Abdeckung der Ozeane erreichen. Hierbei wird eine Wassertiefe von 1mm genommen. Daraus lassen sich die räumlichen und zeitlichen Variationen der SST in Echtzeit verfolgen sowie Tages-, Monats- und Jahresgänge bestimmen.

Bei der Fernerkundung der Erde sind elektromagnetische Wellen (Strahlung) das Mittel zur Übertragung der Information. Um die SST zu erhalten, wird die Strahlung in verschiedenen Bereichen des infraroten Spektralbereiches gemessen und anschließend unter Anwendung der Planckschen Funktion in Temperatureinheiten umgerechnet. Weitere Informationen über die Theorie der Messung der Oberflächentemperatur sind in McClain et al. (1985) zu finden.

Aus dieser Motivation heraus wird nun eine Methode erarbeitet, um den Zustand und die Entwicklung von SST anhand von Satellitendaten zu bestimmen, wird versucht mit Hilfe dieser Satellitenbilder, die räumlichen und zeitlichen Anomalien zu detektieren.

Aufgabenstellung

Die erste Aufgabe des Projektes ist die Beschaffung der erforderlichen Ozeanoberflächentemperaturen.

Es soll dann ein Programm entwickelt werden, das automatisch räumliche Anomalien der Oberflächentemperatur erkennt, um damit mögliche Auftriebsgebiete zu detektieren. Hierzu sollen geeignete Bildverarbeitungsverfahren verwendet werden.

Für die Entwicklung und Optimierung eines solchen Programmes genügt zunächst die Betrachtung eines kleineren Gebietes. Anhand von Literaturrecherchen sollte zunächst eine Region und evtl. Jahreszeit ausgewählt werden, in der die zu detektierenden Phänomene (upwelling) zu erwarten sind. Damit das entwickelte Programm Aussicht auf Erfolg hat, muss zudem sichergestellt werden, dass die räumliche Auflösung der Satellitenbilder kleiner ist als die Raumskala der zu erwartenden Temperaturanomalien an der Ozeanoberfläche.

Wenn die Erstellung des Programmes erfogreich war, soll im weiteren Verlauf des Projektes auf eine globale Betrachtungsweise der Ozeanoberflächentemperaturen für verschiedene Jahre übergegangen werden.

Als weiterführende Anwendung eines solchen Verfahrens könnten Satellitenbilder hinzugezogen werden, die die Wolkenbedeckung über dem Ozean zeigen. Oberhalb von Auftriebsgebieten im Ozean, die durch niedrigere Oberflächentemperaturen gekennzeichnet sind, wird die darüberliegende Luft abgekühlt und es findet kaum Aufsteigen von feuchter Luft statt. Über diesen Auftriebsgebieten erwartet man daher eine geringere Bewölkung als oberhalb von Gebieten mit einer wärmeren Ozeanoberfläche. Diese theoretischen Überlegungen könnten so überprüft werden.

Eine weitere Aufgabe, die in diesem Projekt bearbeitet werden soll, ist die Betrachtung der zeitlichen Entwicklung von Ozeanoberflächentemperaturen. Es soll zunächst der mittlere Jahresgang der Temperatur für verschiedene Regionen ermittelt und dargestellt werden. Da wir Daten aus den Jahren 1985-2008 zur Verfügung haben, kann dieser mittlere Jahresgang für eine Region annäherend als klimatologischer Jahresgang betrachtet werden. Im Anschluss können daher einzelne Jahresgänge der Ozeanoberflächentemperatur für verschiedene Regionen mit den ermittelten klimatologischen Jahresgängen verglichen werden. Es soll dabei untersucht werden, ob in bestimmten Jahren bspw. ausgeprägte Anomalien festzustellen sind, die auf ein El Nino-Ereignis hinweisen könnten.

Desweiteren soll ein Vergleich zeigen, ob ein allgemeiner Trend hin zu höheren oder niedrigeren Temperaturen erkennbar ist.

SST Daten

Das Physical Oceanography Distributed Active Archive Center der NASA (PODAAC) ist dafür verantwortlich alle Daten zu archivieren und zu vertreiben die den physikalischen Zustand der Ozeane beschreiben. Temperaturdaten der Ozeanoberfläche sind über die PODAAC Web Seite http://podaac.jpl.nasa.gov erhältlich.

In diesem Projekt soll das Datenprodukt „AVHRR Pathfinder SST v5“ (Product 216) verwendet werden, das vom AVHRR-Sensor (s.u.) gemessene SST-Daten von 1985 bis zum heutigen Tag beinhaltet. Das Datenprodukt ist in einer Zusammenarbeit des National Oceanographic Data Centers (NODC)und der University of Miami´s Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science (RSMAS) entwickelt worden. Es liegt auf einem „equal area grid“ mit einer Auflösung von 4,64 km vor. Der Wertebereich der SST-Daten deckt Temperaturen von größer als -3°C und kleiner als 35°C ab. Die Daten sind in täglicher, 5 tägiger, 7-tägiger, 8-tägiger, monatlicher und jährlicher zeitlichen Auflösung im HDF-SDS (Hierarchical Data Format-Scientific Data Set) Format vorhanden.

AVHRR steht für „Advanced Very High Resolution Radiometer” und ist ein multispektraler Sensor der National Oceanic and Atmospheric Admistration (NOAA), der eine räumliche Auflösung von 1,1 km (Field-of-view in nadir-Richtung) besitzt. Der Sensor misst die emittierte und reflektierte Strahlung der Erde im sichtbaren und infraroten Spektralbereich, wobei sich die Anzahl der zur Verfügung stehenden Kanäle (4-6) und dessen Wellenlängenbereiche mit verschiedenen Versionen des Sensors über die Zeit geändert hat. Für die SST-Messungen wird der Wellenlängenbereich von 3550 nm bis 12500 nm benutzt. Die AVHRR-Sensoren die Messwerte für das ausgewählte Datenprodukt „AVHRR Pathfinder SST v5“ befanden bzw. befinden sich an Bord verschiedener NOAA-Satelliten (NOAA-7,-9,-11,-12,-14,-16,-17) auf einem polaren Orbit in einer Höhe von 833 km. Die globale Abdeckung wird zweimal pro Tag erreicht.

Eine genauere Beschreibung des AVHRR-Sensors und der unterschiedlichen NOAA-Satellitenmissionen, sowie des AVHRR-Pathfinder-SST-v5-Datenproduktes können auf http://www.nodc.noaa.gov/sog/pathfinder4km/userguide.html und ftp://podaac.jpl.nasa.gov/pub/documents/dataset_docs/avhrr_pathfinder_sst_v5.html eingesehen werden.