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Jahresbericht 2008 – 2009 DeMarine Umwelt - Brockmann Consult

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Vorwort<br />

Der Klimawandel ist in aller Munde. Um ihn quantifizieren zu können, um seine Auswirkungen<br />

auf die <strong>Umwelt</strong> erfassen, bewerten und letztendlich daraus Handlungsoptionen<br />

ableiten zu können, bedarf es dauerhafter Messungen, Modellrechnungen und Analysen. Die<br />

daraus resultierenden Daten und Ergebnisse müssen Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und<br />

Öffentlichkeit mittels geeigneter Dienste zeitnah zur Verfügung stehen. Das ist eine Aufgabe,<br />

die besonders für die deutschen Küstenmeere mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.<br />

Das Verbundprojekt <strong>DeMarine</strong>-<strong>Umwelt</strong> wird auch zur Bewältigung dieser Aufgabe einen<br />

wesentlichen Beitrag leisten. <strong>DeMarine</strong>-<strong>Umwelt</strong> — oder im projektinternen Jargon DeMU —<br />

ist seinen Kinderschuhen entwachsen, es liegen erste Ergebnisse vor. Für uns ein geeigneter<br />

Zeitpunkt, das bisher Erreichte im Kontext des Gesamtvorhabens zusammen zu fassen und<br />

zu präsentieren.<br />

Der hier vorliegende Bericht soll in kompakter, verständlicher Form über die Ziele und<br />

Inhalte und den aktuellen Stand von <strong>DeMarine</strong>-<strong>Umwelt</strong> informieren und zu Nachfragen und<br />

Diskussionen anregen. Dabei ist nicht nur an die Kommunikation mit projektexternen<br />

Interessenten gedacht, sondern auch an den projektinternen Dialog. Besteht doch in einem<br />

Verbundprojekt immer die latente Gefahr, dass durch die intensive Beschäftigung mit der<br />

eigenen Projektaufgabe der Blick für das Gesamtprojekt etwas in den Hintergrund gedrängt<br />

wird.<br />

Ich danke allen Autoren, die zu diesem Bericht beigetragen haben, meinen Kolleginnen<br />

Susan Niebergall und Sonja Dorendorf vom DeMU-Nutzerbüro für die Koordination und dem<br />

Bereich „Graphische Technik“ des BSH für die drucktechnische Umsetzung des Berichts.<br />

Dr. Bernd Brügge, BSH<br />

Projektleiter


Inhaltsverzeichnis<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

iv<br />

3.2 Fernerkundung..............................................................................................22<br />

3.2.1 Ölverschmutzung in Fernerkundungsdaten................................................ 22<br />

3.2.2 Satellitendaten ....................................................................................... 23<br />

3.2.3 Flugzeugdaten........................................................................................ 24<br />

3.3 Driftmodell....................................................................................................26<br />

3.3.1 Das BSH-Modellsystem............................................................................ 26<br />

3.3.2 Informationen zum Starten des Modells.................................................... 27<br />

3.4 Ziele des Teilprojektes „Driftprognose“ ...........................................................27<br />

3.5 Realisierung der Modellkette ..........................................................................27<br />

3.5.1 Level-1 - Modellierung............................................................................. 28<br />

3.3.2 Level-2 - Modellierung............................................................................. 29<br />

3.5.3 Level-2 - Modellierung <strong>–</strong> Ein Fallbeispiel.................................................... 29<br />

3.5.4 Validierung............................................................................................. 30<br />

3.6 Zusammenfassung der Ergebnisse..................................................................32<br />

3.7 Ausblick ........................................................................................................32<br />

3.8 Literatur- und Quellenverzeichnis ...................................................................34<br />

4 Integration optischer und SAR Erdbeobachtungsdaten für das<br />

Wattenmeermonitoring.......................................................................................35<br />

4.1 Motivation.....................................................................................................36<br />

4.2 Untersuchungsgebiete ...................................................................................37<br />

4.3 Datengrundlage ............................................................................................38<br />

4.3.1 Fernerkundungsdaten ............................................................................. 38<br />

4.3.2 Geländeaufnahmen................................................................................. 40<br />

4.4 Methoden .....................................................................................................40<br />

4.4.1 Fernerkundungsverfahren ....................................................................... 40<br />

4.4.1.1 Optische Fernerkundungsverfahren..............................................................40<br />

4.4.1.2 SAR-Fernerkundungsverfahren ....................................................................40<br />

4.4.2 Geländeaufnahmen................................................................................. 41<br />

4.4.3 Biotoptypen-Knowledgebase.................................................................... 41<br />

4.4.4 Potenzialkarten....................................................................................... 42<br />

4.4.4.1 Seegras......................................................................................................42<br />

4.4.4.2 Makroalgen ................................................................................................42<br />

4.4.4.3 Muscheln....................................................................................................42<br />

4.4.4.4 Wasserbedeckung.......................................................................................42<br />

4.5 Ergebnisse ....................................................................................................43<br />

4.5.1 Wattklassifikation mit optischen Daten ..................................................... 43<br />

4.5.2 Datenanalyse SAR Daten......................................................................... 45<br />

4.5.2.1 Vergleich von C- und L-Band .......................................................................45


2 Wasserqualität in Küstengewässern<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

2.3 zeigen die Struktur des Systems. Aus Gründen der Flexibilität und Portierbarkeit auf<br />

unterschiedliche Rechnerplattformen wurde entschieden, die Java-basierte Umgebung von<br />

BEAM/Visat als Basis für die Umsetzung zu wählen. Die für den operationellen<br />

(automatisierten) Einsatz notwendige Steuerung soll über Python-Scripte erfolgen.<br />

12<br />

Abbildung 2.2: Struktur des Prozessierungssystems.<br />

Abbildung 2.3: Logische Zuordnung der Prozessoren/Module.


2 Wasserqualität in Küstengewässern<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

Abbildung 2.8: MERIS-Überflug vom 24.07.<strong>2008</strong>. Links: ESA-Standard-Atmosphärenkorrektur, rechts:<br />

Atmosphärenkorrektur aus Case2R.<br />

Abbildung 2.9: Chlorophyllkonzentration in der<br />

südlichen Ostsee (Rügen, Oderbucht) mit ESA-<br />

Atmosphärenkorrektur (oben) und Case2R (unten).<br />

Abbildung 2.8 zeigt ein Beispiel für<br />

diese Problematik an Hand eines<br />

MERIS-Überfluges vom 24. Juli <strong>2008</strong>.<br />

Man erkennt im linken Bild, das aus<br />

ESA-Standardprodukten erzeugt<br />

wurde, den großen Anteil<br />

ausmaskierter Pixel (weiß) auf Grund<br />

von Problemen bei der Atmosphärenkorrektur.<br />

Das rechte Bild zeigt das<br />

Ergebnis für ein alternatives Verfahren<br />

aus dem Case2R-Prozessor,<br />

bei dem faktisch der gesamte<br />

Datensatz nutzbar ist. Anmerkung:<br />

die Farbskalen und die Kartenprojektion<br />

zwischen beiden Bildern<br />

sind nicht direkt vergleichbar, da<br />

dieser Teil der Verarbeitungskette<br />

noch nicht fertig implementiert ist.<br />

Abbildung 2.9 zeigt den Vergleich der<br />

Ergebnisse der Anwendung des<br />

Ostsee-Verfahrens mit Hauptkomponenteninversion,<br />

zum Einen mit ESA-<br />

Standarddaten, zum Anderen mit den<br />

nach Case2R atmosphärenkorrigierten<br />

Daten. Die bessere Qualität der<br />

neuen Prozessierung ist evident.<br />

17


2 Wasserqualität in Küstengewässern<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

Abbildung 2.11 a: Chlorophyllkonzentration aus<br />

MERIS-Szene vom 21.04.<strong>2008</strong>.<br />

Abbildung 2.11 b: Aus der MERIS-Szene vom<br />

21.04.<strong>2008</strong> extrahierte Pixel, die als „Novelty“<br />

klassifiziert wurden.<br />

2.3.5 Validierung<br />

Zur Validierung und Verbesserung der Auswerteverfahren wurden im Mai <strong>2008</strong> und im März<br />

<strong>2009</strong> Messkampagnen in der Nordsee mit dem Forschungsschiff Heincke durchgeführt. Die<br />

Daten sind weitgehend ausgewertet und sollen jetzt zur Validierung herangezogen werden.<br />

In <strong>2009</strong> sind insgesamt vier Messfahrten mit dem Forschungsschiff Heincke vorgesehen<br />

(März, Mai, August und September).<br />

Im März <strong>2009</strong> wurde erstmalig auch ein vertikal "undulierendes" Schleppsystem eingesetzt<br />

(Scanfish), mit dem kontinuierlich ozeanographische und chemische Parameter, wie<br />

Salinität, Temperatur, Chlorophyll-Fluoreszenz, Transmission und Rückstreuung, gemessen<br />

werden. Zwischen den Vertikalschnitten wurden Stationsmessungen durchgeführt. Die<br />

Stationsarbeit begann mit Tiefenprofilen mit Hilfe eines Kranzwasserschöpfers zur Messung<br />

von Salinität, Druck, Temperatur, Lichteinstrahlung, Lichtabsorption (PSICAM), Lichtstreuung<br />

und Chlorophyllfluoreszenz. Dabei wurden Wasserproben aus bis zu vier Tiefen genommen,<br />

die an Bord bearbeitet wurden und zur Messung von Algenpigmenten, Schwebstoff,<br />

Gelbstoff, Nährstoffen, Particulate Organic Carbon (POC) und Dissolved Organic Carbon<br />

(DOC) sowie zur Messung der optischen Absorptionseigenschaften dienen.<br />

Zusätzlich wurden weitere kontinuierliche Messungen durchgeführt. Zum einen mittels<br />

Durchflusssonden zur Bestimmung der Lichtabsorption im Wasser, der Algenpigmente,<br />

Gelbstoffgehalte etc. Hierzu kommt ein Ferry-Box-System der GKSS zum Einsatz, das<br />

zusätzliche Parameter misst, wie Nährstoffe, Sauerstoffgehalt, Trübung und CO 2<br />

Partialdruck. Des Weiteren wurden Radiometersysteme in Bugnähe des Schiffs befestigt und<br />

damit Reflektionsspektren der Wasseroberfläche gemessen.<br />

Für die Validierung in der Ostsee werden die Daten aus dem Monitoring-Netzwerk des<br />

Landesamtes für <strong>Umwelt</strong>, Naturschutz und Geologie (LUNG) des Landes Mecklenburg-<br />

Vorpommern sowie Messungen aus dem Alg@line-System, das auf Ostseefähren betrieben<br />

19


3 Öldriftvorhersage<br />

C. Kübert, B. Baschek (BfG)<br />

F. Janssen, S. Dick (BSH)<br />

………………………………………………


3 Öldriftvorhersage<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

Kernkomponente des Systems der deutschen Ölüberwachung sind zwei Fairchild/Dornier Do<br />

228 Flugzeuge, die mit unterschiedlichen Sensoren ausgestattet sind (vgl. Abb. 3.3).<br />

Abbildung 3.3: Eines der beiden deutschen Ölüberwachungsflugzeuge mit seinen Fern- und<br />

Nahbereichssensoren (verändert nach BMVBW (jetzt BMVBS) 1998).<br />

Dazu gehören Fernbereichssensoren wie das Seitensichtradar (Side-Looking Airborne RADAR,<br />

SLAR), das die Entdeckung möglicher Verschmutzungen bis zu 30km zu beiden Seiten<br />

entlang der Flugrichtung ermöglicht. Nahbereichssensoren mit einer Reichweite von bis zu<br />

250m in beide Richtungen wie Infrarot-/Ultraviolett-Zeilenscanner (IR/UV), Mikrowellenradiometer<br />

(MWR), Laserfluorosensor (LFS) sowie Photo- und Video-Kameras erlauben eine<br />

qualitative und quantitative Bestimmung der Verschmutzung (vgl. Tabelle 3.2, TUFTE ET AL.<br />

2005).<br />

Tabelle 3.2: Eigenschaften der Flugzeugsensoren (verändert nach TUFTE ET AL. 2005)<br />

SLAR IR UV MWR LFS Satellit<br />

Streifenbreite ± 35km ± 250m ± 250m ± 250m ± 75m 300 / 400km<br />

Klassifizierung des Öltyps nein nein nein nein ja nein<br />

Ableitung der Schichtdicke nein nein nein ja ja nein<br />

räumliche Auflösung + +++ +++ ++ ++ ---<br />

Nachteinsatz ja ja nein ja ja ja<br />

Nutzungseinschränkungen<br />

nein<br />

Wolken<br />

Wolken,<br />

Tageszeit<br />

nein<br />

Wolken,<br />

Flughöhe<br />

technische<br />

Probleme<br />

Im Fall einer größeren Meeresverschmutzung wird der Vorhersagedienst des BSH per Telefon<br />

oder Fax informiert. Dort werden dann entsprechende Drift- oder Ausbreitungssimulationen<br />

25


3 Öldriftvorhersage<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

herangezogen werden können. Die Modellkette besteht aus den drei Teilen Fernerkundung,<br />

Modell und Visualisierung und sie kann derzeit auf zwei verschiedene Arten (Level-1 und<br />

Level-2) an der BfG gestartet werden.<br />

3.5.1 Level-1 - Modellierung<br />

Die aus Fernerkundungsdaten gewonnenen Informationen, welche in Form des Oil Service<br />

Reports zusammengestellt sind, können automatisch extrahiert und in einer fleckspezifischen<br />

Basisdatei abgespeichert werden. Dies geschieht mit einer in der Interactive Data Language<br />

(IDL) programmierten Schnittstelle. Datum, Uhrzeit und Fleckenschwerpunkt können direkt<br />

übernommenen werden, für einige Größen wie Öltyp und Ölmenge müssen Annahmen<br />

getroffen werden. Die Angabe des Ölalters ist nicht möglich (Level-1, vgl. Abb. 3.4). Am<br />

Ende des Schnittstellenprogramms wird eine Basisdatei ausgegeben, die alle Informationen<br />

zum Starten des Modells bereitstellt.<br />

28<br />

Fernerkundung<br />

Oil Service Report<br />

Datum<br />

Uhrzeit<br />

Fleckschwerpunkt<br />

Annahmen<br />

Öltyp<br />

Ölmenge<br />

Basisdatei<br />

Basisdatei<br />

Modell Visualisierung<br />

zufällige Verteilung<br />

der 1000 Teilchen um<br />

Fleckschwerpunkt<br />

Driftrechnung<br />

Position des<br />

Flecks<br />

in RADAR-Daten<br />

Driftweg des<br />

Fleckschwerpunkt<br />

Verteilung der<br />

1000<br />

Teilchen im<br />

Abbildung 3.4: Integration von Fernerkundungsdaten in das Driftmodell des BSH auf Level-1. Im<br />

Modell wird die Angabe des Fleckenschwerpunkts zur Generierung einer zufälligen Verteilung<br />

herangezogen. Die Visualisierung erfolgt halbautomatisch in ArcGIS.<br />

Im Modell-Teil der Prozessierungskette werden 1.000 Teilchen, die den Ölfleck darstellen,<br />

zufällig um den Fleckenschwerpunkt verteilt. In 15-Minuten-Intervallen wird dann die Verdriftung<br />

jedes Teilchens und des Fleckenschwerpunkts simuliert. Das Endergebnis der<br />

Modellierung besteht aus zwei Dateien: In der ersten wird die Position des Fleckenschwerpunkts<br />

dargestellt, woraus sich der Driftweg ableiten lässt. In einer zweiten Datei werden die<br />

Koordinaten aller 1.000 Teilchen abgespeichert. So können die Drift und das Spreading der<br />

gesamten Öllache dargestellt werden.<br />

Zur Visualisierung wird derzeit das Programm ArcGIS herangezogen. Die Fernerkundungsdaten<br />

und die Modellergebnisse werden automatisiert so aufbereitet, dass sie in dem<br />

Programm dargestellt werden können.


3 Öldriftvorhersage<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

Dieses Bildpaar kann neben der Bestätigung eines vermuteten Ölflecks auch zur Validierung<br />

des Driftmodells herangezogen werden. Im Rahmen einer internationalen, fernerkundungsbasierten<br />

Überwachungskampagne (Super CEPCO: Coordinated Extended Pollution Control<br />

Operation, <strong>2008</strong>) entwickelte das Validierungsbüro für die Ölerkennungsdienste des<br />

MarCoast-Projektes an der BfG erste Ansätze zu dem hier beschriebenen Verfahren. Diese<br />

werden nun im Projekt <strong>DeMarine</strong>-<strong>Umwelt</strong> weiter verfolgt.<br />

Nach Benachrichtigung der Ölüberwachungsinstitutionen durch den Satellitenservice wurde<br />

die in Abbildung 3.6 gezeigte mögliche Verschmutzung zum Zeitpunkt t1 (1,25 Stunden nach<br />

Satellitenüberflug) vom Flugzeug aus mit Hilfe des Radars beobachtet und konnte mit Hilfe<br />

der weiteren Sensorik an Bord als Ölverschmutzung bestätigt werden. Diese wurde im Laufe<br />

des Fluges ein zweites Mal zu der Zeit t2 gesichtet (vgl. Abb. 3.7).<br />

Zunächst werden die erwartete Position des Fleckenschwerpunkts, d.h. der Mittelpunkt der<br />

Teilchenwolke, zum Zeitpunkt der ersten Flugzeugsichtung auf dem Driftweg (schwarzer<br />

Stern) und die tatsächliche Position des Flecks in den Flugzeugdaten zum Zeitpunkt t1 (rotes<br />

Vieleck) visualisiert (vgl. Abb. 3.7 oben).<br />

Abbildung 3.7: Validierung der simulierten Drift mit Flugzeugdaten und weiterer Modelllauf. Oben:<br />

Visualisierung der vorhergesagten Position des Fleckenzentrums (schwarzer Stern) und der<br />

tatsächlichen Lage der Flugzeugsichtung (rotes Vieleck). Mitte: Driftrechnung auf Grundlage der<br />

Flugzeugsichtung und vorhergesagten Position des Fleckenzentrums (oranger Stern) zu einem<br />

weiteren Zeitpunkt. Unten: Validierung des zweiten Modelllaufs mit einer weiteren Beobachtung<br />

(dunkelrotes Vieleck).<br />

31


3 Öldriftvorhersage<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

Parametrisierung<br />

Öltyp, Ölalter,<br />

Ölmenge<br />

Fallsammlung<br />

historische Daten<br />

2007, <strong>2008</strong>, …<br />

Sensitivität<br />

Analysedatenbank<br />

Modellierung<br />

halbautomatisiert<br />

@BfG<br />

Modellierung<br />

automatisiert<br />

@ BfG und BSH<br />

Modellierung<br />

automatisiert<br />

@ BSH und STW<br />

Validierung<br />

Abbildung 3.8: Weitere Aufgaben im Teilprojekt. Mit Hilfe der Fallsammlung historischer Datenpaare<br />

können Annahmen parametrisiert und ihre Sensitivität durch das Anlegen einer Analysedatenbank<br />

überprüft werden. Die Modellierung erfolgt noch halbautomatisch, wird im Projektverlauf zunehmend<br />

automatisiert und schließlich in den SeaTrackWeb-Dienst integriert werden.<br />

Stehen die bestmöglichen Parametrisierungen fest, kann zu weitergehend automatisierten<br />

Modellketten übergegangen werden. Dies beinhaltet die Weiterentwicklung der Softwaretools<br />

sowie die Implementierung einer entsprechenden Softwareinfrastruktur. Auch die Darstellung<br />

der Ergebnisse soll vom halbautomatischen ArcGIS hin zu automatischen IDL-Visualisierungen<br />

weiterentwickelt werden. Die Ergebnisse der Driftrechnung in Form von Karten<br />

werden plattformunabhängig in üblichen Bildformaten gespeichert. Da das Modell zukünftig<br />

am BSH betrieben werden wird, werden die an der BfG entwickelten Erweiterungen auch<br />

dort implementiert werden. Die Satellitendaten sollen also automatisiert zum Starten eines<br />

Driftmodells herangezogen werden können, wobei dieser Erstlauf als erste, vorläufige<br />

Prognose zu verstehen ist, die von eingewiesenem Fachpersonal überprüft und gegebenenfalls<br />

mit geänderten Parametern wiederholt werden muss.<br />

In einem späteren Schritt wird das BSH auf die bestehende, regionale, webbasierte Öldriftvorhersageplattform<br />

SeaTrackWeb (STW) umsteigen. Bei SeaTrackWeb handelt es sich um<br />

das offizielle HELCOM-Driftvorhersagesystem, das vom Schwedischen Meteorologischen und<br />

Hydrologischen Institut (SMHI) und der Dänischen Maritimen Sicherheitsagentur (DaMSA)<br />

ausgehend vom BSH-Modell für die Ostsee entwickelt wurde. Es dient als Plattform für die<br />

Ölvorhersagemodelle der einzelnen Anrainerstaaten. Mit STW können Modellsimulationen<br />

und die Visualisierung über das Internet durchgeführt werden. Auch die in <strong>DeMarine</strong>-<strong>Umwelt</strong><br />

entwickelten Ergänzungen des Driftprognosemodells sollen in diesem Web-Dienst nutzbar<br />

gemacht werden. Hierdurch liefern die Ergebnisse des Teilprojektes „Driftprognose“ nicht nur<br />

einen Beitrag für deutsche GMES-Dienste, sondern sollen auch auf regionalem bzw.<br />

europäischem Maßstab etabliert werden.<br />

33


4 Wattenmeermonitoring<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

Rein- und Mischbestände von Miesmuscheln und Austern charakteristische Wattbiotoptypen.<br />

Bei den Mikroalgen werden die Diatomeen aufgeführt.<br />

Aus den Parametern der Geländeprotokolle lassen sich charakteristische Wertebereiche oder<br />

Kombinationen aus Parametern ermitteln, die Biotoptypen voneinander unterscheiden. Mit<br />

den Indizes aus den optischen Daten lassen sich die thematischen Gruppen durch charakteristische<br />

Wertebereiche voneinander unterscheiden.<br />

Die Knowledgebase liefert wichtige ergänzende Informationen für das synergistische<br />

Klassifikationsverfahren durch Unterscheidungsparameter zwischen den Watt-Biotoptypen,<br />

die in der Fernerkundung allein nicht erfasst werden. Ziel ist es, die Parameter aus der<br />

Knowledgebase in das Integrationsverfahren zu überführen.<br />

4.5.4.2 Ergänzender Informationsgewinn aus Optik & Radar<br />

Oberflächen, die in der einen Datenquelle nicht unterscheidbar sind, z. B. hohe Rückstreuung<br />

bei ausgeprägten Rippeln und Muschelbänken aufgrund ihrer jeweiligen hohen Oberflächenrauigkeit,<br />

können aufgrund der spektralen Information unterschieden werden. Die höhere<br />

räumliche Auflösung, insbesondere bei TerraSAR-X-Bildern (© DLR, Infoterra) ermöglicht<br />

eine genauere Erfassung einzelner Oberflächentypen und kann so zusammen mit dem<br />

spektralen Signal der optischen Daten eine eindeutigere Oberflächentypisierung erlauben.<br />

Seegras und Makroalgen sind in optischen Daten aufgrund ihrer ähnlichen spektralen<br />

Reflektionseigenschaften in den zur Verfügung stehenden Satellitendaten kaum zu unterscheiden.<br />

Als Unterscheidungskriterium wird daher die Seegraspotenzialkarte hinzugezogen,<br />

die Auskunft über die Wahrscheinlichkeit eines Seegrasvorkommens gibt und somit genauere<br />

Eingrenzungen ermöglicht.<br />

Abbildung 4.12: Kombination von Farbinformation aus den optischen Daten und<br />

Rauigkeitsinformationen aus den SAR Daten (hier: SPOT-2 (© SPOT Image) und TerraSAR-X (© DLR,<br />

Infoterra), Ausschnitt einer Muschelbank auf der Lütetsburger Plate, Niedersachsen).<br />

50


5 Entwicklung und<br />

Implementierung eines Verfahrens<br />

zur Datenassimilation von<br />

Fernerkundungsdaten in ein<br />

operationelles Modell für die Nord-<br />

und Ostsee (DOM)<br />

L. Nerger, J. Schröter, S. Losa (AWI)<br />

F. Janssen (BSH)<br />

………………………………………………


5 Datenassimilation<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

5.1 Motivation<br />

Die Beschreibung und Vorhersage der marinen <strong>Umwelt</strong> von Nord- und Ostsee ist eine der<br />

zentralen Aufgaben des BSH. Insbesondere in der Vorhersage nehmen dabei numerische<br />

Modelle eine wichtige Position ein. Die Vorhersagemodelle des BSH wurden über einen<br />

Zeitraum von mehr als 10 Jahren fortentwickelt und stellen heute eine unverzichtbare<br />

Informationsquelle dar. Die Genauigkeit der Berechnungen konnte über die Jahre erheblich<br />

gesteigert werden. Die Modelle haben dabei eine hohe Komplexität in der Beschreibung der<br />

physikalischen Prozesse erreicht und auch der numerische Apparat ist weit entwickelt. Eine<br />

weitere Verbesserung der Genauigkeit ist daher mit einem erheblichen Aufwand, sowohl<br />

bezüglich der zu investierenden Arbeitszeit als auch in Bezug auf die Kapazität der<br />

Rechenanlagen, verbunden.<br />

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit — die direkte<br />

Verknüpfung von Beobachtungen mit den Modellsimulationen im Sinne der Datenassimilation<br />

— wurde bislang am BSH nicht genutzt. Dieses Teilprojekt dient nun genau dazu, diese<br />

Lücke zu schließen und Datenassimilationsverfahren im BSH zu etablieren. Es besteht dabei<br />

die Erwartung, sowohl den Fehler der Modellanalysen als auch der Vorhersagen erheblich zu<br />

reduzieren und somit eine Verbesserung der modellbasierten Produkte des BSH zu erlangen.<br />

Zum Aufbau des Assimilationsverfahrens wurde vorerst die Meeresoberflächentemperatur als<br />

die in ihrem Vorhersagefehler zu verbessernde Größe gewählt. Die zu implementierenden<br />

Verfahren sollen aber die Assimilation eines breiten Spektrums von Beobachtungsdaten bis<br />

hin zu ökologischen Größen zulassen.<br />

5.2 Methodik<br />

5.2.1 Operationelle Ozeanvorhersage<br />

Das BSH betreibt seit vielen Jahren ein operationelles numerisches Modellsystem (DICK 1997,<br />

DICK ET AL. 2001, HUBER 1993), mit dem Vorhersagen für Wasserstände, Strömungen,<br />

Salzgehalt, Temperatur sowie die Ausbreitung von Stoffen in der Nord- und Ostsee<br />

berechnet werden können. Ein Hauptbestandteil des Modellsystems ist ein numerisches<br />

Zirkulationsmodell der Nord- und Ostsee (siehe Abb. 5.1, rot, 5km Gitter) mit hoher<br />

räumlicher Auflösung im Bereich der Deutschen Bucht und westlichen Ostsee (Abb. 5.1,<br />

grün, 900m Gitter). Das Modell läuft im täglichen Routinebetrieb (siehe Abb. 5.2), basierend<br />

auf meteorologischen Daten und Seegangsvorhersagen des Deutschen Wetterdienstes<br />

(DWD). Es dient u.a. der Unterstützung des Wasserstandsvorhersage- und Sturmflutwarndienstes<br />

des BSH und liefert Basisdaten für den Betrieb der Operationellen Ausbreitungsmodelle.<br />

5.2.2 Fernerkundungsdaten der Meeresoberflächentemperatur<br />

Fernerkundungsdaten der Meeresoberflächentemperatur (SST) werden mit unterschiedlicher<br />

räumlicher Auflösung und mit unterschiedlicher Aktualität von einer Vielzahl von Daten-<br />

Providern bereitgestellt. Die für den operationellen Vorhersagebetrieb des BSH notwendige<br />

Aktualität (near-real-time), Ausfallsicherheit und Datenverfügbarkeit grenzen das Spektrum<br />

allerdings erheblich ein. Für das Projekt finden vorrangig die vom BSH selbst empfangenen<br />

und prozessierten Daten Verwendung.<br />

54


Autorenverzeichnis<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH)<br />

Bernhard-Nocht-Str. 78<br />

20359 Hamburg<br />

Frank Janssen +49 (0)40-3190-3136 frank.janssen@bsh.de<br />

Stephan Dick +49 (0)40-3190-3100 stephan.dick@bsh.de<br />

Susan Niebergall +49 (0)40-3190-3180 susan.niebergall@bsh.de<br />

Sonja Dorendorf +49 (0)40-3190-3181 sonja.dorendorf@bsh.de<br />

Bernd Brügge +49 (0)40-3190-3000 bernd.bruegge@bsh.de<br />

……………………………………<br />

Common Wadden Sea Secretariat (CWSS)<br />

Virchowstr. 1<br />

26382 Wilhelmshaven<br />

Harald Marencic +49 (0)4421-9108-15 marencic@waddensea-secretariat.org<br />

……………………………………<br />

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)<br />

Institut für Methodik der Fernerkundung<br />

Rutherfordstr. 2<br />

12489 Berlin<br />

Andreas Neumann +49 (0)30-6705-5640 andreas.neumann@dlr.de<br />

Harald Krawczyk +49 (0)30-6705-5652 harald.krawczyk@dlr.de<br />

Birgit Gerasch +49 (0)30-6705-5647 birgit.gerasch@dlr.de<br />

Stefan Riha +49 (0)30-6705-5615 stefan.riha@dlr.de<br />

……………………………………<br />

GKSS Forschungszentrum<br />

Institut für Küstenforschung<br />

Max-Planck-Str. 1<br />

21502 Geesthacht<br />

Roland Doerffer +49 (0)4152-871580 roland.doerffer@gkss.de<br />

Hajo Krasemann +49 (0)4152-872022 hajo.krasemann@gkss.de<br />

Rüdiger Röttgers +49 (0)4152-871575 ruediger.roettgers@gkss.de<br />

64


Autorenverzeichnis<br />

____________________________________________________________________________________________<br />

Wolfgang Schönfeld +49 (0)4152-871576 wolfgang.schoenfeld@gkss.de<br />

……………………………………<br />

Landesamt für Landwirtschaft, <strong>Umwelt</strong> und ländliche Räume Schleswig-Holstein (LLUR)<br />

Hamburger Chaussee 25<br />

24220 Flintbek<br />

Hans-Christian Reimers +49(0)4347-704-436 hans-christian.reimers@llur.landsh.de<br />

……………………………………<br />

Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz Schleswig-Holstein<br />

(LKN)<br />

Nationalparkverwaltung<br />

Schlossgarten 1<br />

25832 Tönning<br />

Kai Eskildsen +49 (0)4861-616-44 kai.eskildsen@lkn.landsh.de<br />

Jörn Kohlus +49 (0)4861-616-46 joern.kohlus@lkn.landsh.de<br />

Bärbel Eisenblätter +49 (0)4861-616-50 baerbel.eisenblaetter@lkn.landsh.de<br />

……………………………………<br />

Nationalparkverwaltung Niedersächsisches Wattenmeer (NLPV)<br />

Virchowstr. 1<br />

26382 Wilhelmshaven<br />

Hubert Farke +49(0)4421-911-281 hubert.farke@nlpvwattenmeer.niedersachsen.de<br />

……………………………………<br />

Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz<br />

(NLWKN)<br />

An der Mühle 5<br />

26548 Norderney<br />

Marc Herlyn +49 (0) 4932-916-161 marc.herlyn@nlwkn-ny.niedersachsen.de<br />

……………………………………<br />

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