Band 5 (F. H. Berger 2001)

Franz H. Berger, 2001:

Bestimmung des Energiehaushaltes am Erdboden mit Hilfe von Satellitendaten
(ISBN 3-86005-269-1)
CD-ROM zum Tharandter Klimaprotokoll Heft 5, ISBN 3-86005-270-1)

Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit war es, ein Verfahren zu entwickeln, um die Strahlungs- und Energieflüsse am Erdboden mit Hilfe von Satellitendaten bestimmen zu können. Dieses Verfahren soll auf  aktuelle und auf zukünftige meteorologische Satellitendaten anwendbar sein, um längere Zeitreihen auswerten zu können. Mit den abgeleiteten Ergebnissen soll ein Datensatz erzeugt werden, um einerseits die räumliche und zeitliche Variabilität der Strahlungsflüsse und den Einfluß der Wolken auf die Strahlungsflüsse in verschiedenen Regionen zu untersuchen und um andererseits Modellergebnisse zu validieren.

Das Auswerteverfahren SESAT (Strahlungs- und Energieflüsse aus Satellitendaten) ist modular aufgebaut und hierarchisch strukturiert. Um die  Strahlungsflüsse am Erdboden ableiten zu können, wird eine Wolkenklassifikation durchgeführt. Für jede Klasse werden die optischen und  mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolken ermittelt, sowie nicht nur für den wolkenfreien Fall (Mehrtages-Sampling) die Albedo und das Emissionsvermögen des Erdbodens bestimmt. Mit Hilfe eines inversen Fernerkundungsverfahrens wurden pixelweise unter Berücksichtigung der mit Hilfe von Strahlungstransferrechnungen erstellten Look-Up Tabellen die einzelnen Strahlungsbilanzkomponenten an der Erdoberfläche abgeleitet, wobei ergänzend die Topographie berücksichtigt wurde. Im Falle der langwelligen Strahlungsflüsse wurde zusätzlich eine empirische Methode angewandt, um den Wolkeneinfluß besser berücksichtigen zu können. Auf der Grundlage der Strahlungsflüsse am Erdboden und ergänzender Bestimmung von Landoberflächeneigenschaften, wie z.B. des Blattflächenindexes, wurden weiterführend Wärmeströme an der Erdoberfläche berechnet. So konnten die Bodenwärmeflußdichten, wie die sensiblen und latenten Wärmeflußdichten bestimmt werden. Hinsichtlich der latenten Wärmeflußdichten wurde sowohl die potentielle als auch in einer Näherung die aktuelle Verdunstung berechnet. Das Auswerteverfahren wurde im Rahmen dieser Untersuchung für Beobachtungsdaten während BALTEX (Mai und Juni 1993), RESMEDES (April 1995) und LITFASS (Juni 1998) getestet und mit Bodenmessungen validiert. Dabei zeigte es sich, daß die optische Tiefe der Wolken über den Landoberflächen unterschätzt wurde und daher z.B. die Globalstrahlung, abgeleitet aus den Satelliten, um bis zu 200 Wm-2 (100 %) im bewölkten Fall überschätzt wurde. Der Grund für die Unterschätzung der optischen Tiefe der Wolke liegt einerseits in der Eichung der Satellitendaten und andererseits in der Heterogenität der Landoberflächen. Im wolkenfreien Fall hingegen konnte eine sehr hohe Übereinstimmung mit den Bodenmessungen erzielt werden. Ein Vergleich der Ergebnisse mit Modellsimulationen des Regionalmodelles REMO ergab hinsichtlich der Wolkenbedeckung eine gute Übereinstimmung zwischen den beobachteten und simulierten  Wolkenfeldern. Hinsichtlich der Globalstrahlung am Erdboden bestätigte der Vergleich die Tatsache, daß mit Hilfe des Auswerteverfahrens SESAT die Globalstrahlung überschätzt wird. Dennoch kann mit Hilfe des Verfahrens die Nettostrahlungsflußdichte am Erdboden mit einer hinreichenden Genauigkeit bestimmt und für weiterführende Untersuchungen benutzt werden. Basierend auf den Nettostrahlungsflußdichten konnten die einzelnen Wärmeflußdichten an der Erdoberfläche pixelweise bestimmt werden. Es zeigte sich, daß die abgeleiteten Wärmeflußdichten sehr stark von der Güte der verwendeten Landnutzung und den dafür genutzten Parametrisierungen abhängen. Der Einfluß der Landnutzung, insbesondere wie bei der Unterrepräsentanz der Waldflächen in der USGS Landnutzung für Deutschland, konnte an Wärmeflußdichten für Einzeltage und auch für über den Monat gemittelte Flußdichten demonstriert werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß geeignete Parametrisierungsansätze, wie z.B. für Getreideflächen, noch nicht ausreichend oder gar nicht zur Verfügung stehen. Mit Hilfe einer einfachen Fehleranalyse, basierend auf den in

dieser Untersuchung genutzten Methoden, folgt, daß bei einer Ungenauigkeit in der Temperaturbestimmung von 1K sich die latenten Wärmeflußdichten um bis zu 5 Wm-2 K-1 in Abhängigkeit von der Nettostrahlungsflußdichte ändern können. Die Ungenauigkeit von 1 K in der Temperaturbestimmung

entspricht dabei in etwa einer Ungenauigkeit in der Bestimmung des normalisierten Differenzen-Vegetationsindex (NDVI) von 0.02.