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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

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14 1 Fernerkundung der Atmosphäre Auflösung beobachtet werden kann, als es mit polarumlaufenden Satelliten möglich ist (Abb. 1.6). Somit können dynamische Vorgänge, die zeitliche Änderung von Wettersystemen, gut erfasst werden. Derzeit werden 6 geostationäre Satelliten betrieben: GOES-W (USA), GOES-E (USA), METEOSAT (Europa), GMS-5 (Japan), INSAT-2E (Indien) und GOMS (Russland). Nur die Daten von GOES- und METEOSAT-Satelliten werden für die Wettervorhersage genutzt. GOES-Satelliten Die NOAA betreibt zwei operationelle, geostationäre Satelliten, GOES-8 auf 75 West, auch als GOES-Ost bezeichnet, und GOES-10 auf 135° West (GOES-West). Die Sensorsysteme der GOES-Satelliten unterteilen sich in die Bilderzeugungseinheit (GOES-I-M Imager) und die Sondierungseinheit (GOES-I-M Sounder). Der Imager besitzt 5 Kanäle (1 VIS, 4 IR) und zeichnet die terrestrische Strahlung und die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung auf und ermöglicht die regelmäßige Erzeugung (im 30 min- Abstand) von Satellitenbildern des sichtbaren Erdbereiches. Die Sounder-Einheit ist ein 19-kanäliges Radiometer (Kanäle im VIS und kurz- bis langwelligem IR). Neben Ozonverteilungen und Oberflächeneigenschaften der Erde, werden Temperatur- und Wasserdampfprofile gemessen. Eine ausführliche Einführung in die neue Generation der GOES-Satelliten (GOES-I, erster Start 1994), die Datenprodukte und ihre operationelle Bereitstellung geben Menzel und Purdom [1994]. Vergleiche von GOES-Profilen mit NCEP-Analysen [Rocken et al., 1997] ergaben bis 25 km Höhe Abweichungen von 2-3 K. Oberhalb dieser Höhe weisen die GOES- Messungen einen starken Warm-Bias (10 K) gegenüber den Analysen auf. METEOSAT EUMETSAT betreibt ebenfalls ein geostationäres Satellitensystem, die METEOSAT- Satelliten. Der erste, METEOSAT-1, wurde 1977 gestartet. Seit Juni 1998 ist METEOSAT-7 der operationelle Satellit, ein weiterer (METEOSAT-6) steht als Reservesatellit zur Verfügung. Das hochauflösende Radiometer MVIRI der METEOSAT- Satelliten kann in drei Kanälen messen, dem VIS (0,5 bis 0,9 µm) für Fotos bei Tageslicht, dem WV (5,7 bis 7,1 µm) zur Bestimmung des Wassergehalts in der oberen Troposphäre und dem IR-Kanal (10.5 bis 12.5 µm) zur Bilderstellung zu Tages- und Nachtzeiten sowie zur Bestimmung von Wolken- und Meeresoberflächentemperaturen. Jeweils halbstündlich wird ein neues Bild des von METEOSAT aus sichtbaren Erdbereiches zur Verfügung gestellt. Aus den Satellitenbildern werden zusätzliche meteorologische Produkte, wie UTH (Upper Troposphere Humidity), Wolkenbedeckung und Wolkenbewegungen (Wind) abgeleitet und für die Datenassimilation bereitgestellt. Der Start des ersten Satelliten (MSG-1) der zweiten METEOSAT-Generation (METEOSAT Second Generation) mit einer neuen und verbesserten Gerätegeneration ist für Anfang 2002 vorgesehen. Er wird die Erde mit einer Auflösung von 12 Spektralkanälen beobachten und alle 15 Minuten ein Bild zur Verfügung stellen und vertikale Temperatur- und Feuchteprofile liefern.

1.5 Datenassimilation und Wettervorhersage 1.4.3 Zukünftige operationelle polarumlaufende Satellitensysteme EPS (METOP) Das EPS (EUMETSAT Polar System) ist die europäische Komponente eines zukünftigen, gemeinsamen US-amerikanisch/europäischen polarumlaufenden Satellitensystems. Die US-amerikanische Komponente ist das TIROS-Satellitensystem (Kap. 1.4.1). Der Start des ersten Satelliten (METOP-1) ist für das Jahr 2005 vorgesehen. Die Orbithöhe wird 835 km betragen. Einige Instrumente an Bord werden mit denen der TIROS-Satelliten identisch sein: AVHRR, HIRS, AMSU-A (bereitgestellt durch die USA) und MHS (Microwave Humidity Sounder), welches durch Europa bereitgestellt wird. Weitere neue Geräte sind: IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer mit 8400 Kanälen), ASCAT (Advanced Scatterometer), GOME-2 (Global Ozone Monitoring Experiment-2). Zusätzlich ist ein GNSS-Radiookkultationsempfänger (GRAS, GNSS Receiver for Atmospheric Sounding) als Nutzlast geplant. Eine detaillierte Beschreibung des EPS- Projektes ist über die Internetseiten der EUMETSAT zugänglich [EUMETSAT, 2001]. NPOESS (National Polar Orbiting Environmental Satellite System) Das US-amerikanische NPOESS-Satellitensystem ist die Nachfolgegeneration der TIROS- Satelliten. Es wird das derzeit getrennte militärische und zivile Wettersatellitenprogramm der USA vereinen. Der Start des ersten Satelliten ist für 2009 vorgesehen [NPOESS, 2001]. Im Rahmen des Programms werden eine Reihe neuer wissenschaftlicher Geräte entwickelt. Zur Nutzlast der Satelliten gehören: VIIRS (Visible/Infrared Imager Radiometer Suite), CMIS (Conical Microwave Imager/Sounder), CrIS (Crosstrack Infrared Sounder), OMPS (Ozone Mapping and Profiler Suite), SESS (Space Environment Sensor Suite) und der ATMS (Advanced Technology Microwave Sounder). Auch NPOESS wird über GNSS- Radiookkultationsempfänger verfügen: GPSOS (Global Positioning System Occultation Sensor). Für weiterführende Informationen und detaillierte Beschreibungen der wissenschaftlichen Geräte und des NPOESS-Projektes wird auf das Internet verwiesen [NPOESS, 2001]. 1.5 Datenassimilation und Wettervorhersage 1.5.1 Datenassimilation für Wettervorhersagen Mathematisch gesehen beinhaltet die numerische Wettervorhersage ein Differentialgleichungssystem, das die Entwicklung des Atmosphärenzustandes in einer räumlichen Diskretisierung (Gitterpunkte) beschreibt. Der Anfangszustand des Systems (Luftdruck, Temperatur, Feuchte, Windrichtung und –geschwindigkeit) an den Punkten des Rechnergitters muss bekannt sein, um die zukünftige Wetterentwicklung berechnen zu können. Zur Bestimmung dieses Anfangszustandes werden die Daten des meteorologischen Beobachtungsnetzes benutzt. Informationen über die Vertikalstruktur der Atmosphäre liefern dabei die in Kap. 1.2 bis 1.4 beschriebenen Verfahren. Da nicht für alle Gitterpunkte Werte vorhanden sind (u.a. Ozeane, Polargebiete), wird die Wettervorhersage zu einem unterbestimmten Anfangswertproblem - ein Grund für falsche 15

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