Wettersysteme HS 2011

Wettersysteme HS 2011
Kapitel 2
Satellitenbilder
28. September 2011
1. Strahlungsgesetze
- Planck'sches Strahlungsgesetz
- Planck–Funktion: Intensität der Strahlung die von einem schwarzen Körper emittiert wird
- schwarzer Körper:
Körper der die auf ihn einfallende
Strahlung bei allen Wellenlängen
absorbiert
- bei höheren Temperaturen
verschiebt sich das Maximum zu
kleineren Wellenlängen
Wiensches
Verschiebungsgesetz
1. Strahlungsgesetze
- Wiensches Verschiebungsgesetz
- beschreibt Temperaturabhängigkeit der Lage des Maximums der Planck-Funktion
- Beispiel:
Effektive Strahlungstemperatur der Sonne T=5783 K
→ λmax = 0.501 μm
1. Strahlungsgesetze
- Wiensches Verschiebungsgesetz
- beschreibt Temperaturabhängigkeit der Lage des Maximums der Planck-Funktion
- Beispiel:
Effektive Strahlungstemperatur der Sonne
T=5783 K
→ λmax = 0.501 μm
1. Strahlungsgesetze
- Stefan - Boltzmann - Gesetz
- Berechnung der gesamten Energie, die ein schwarzer Körper pro Zeit und pro
Flächeneinheit ausstrahlt (aus Integration der Planck-Funktion)
mit
σ = 5.67 x 10-8 W m-2 K-4 = Stefan-Boltzmann Konstante
Bemerkungen: - die Gesamtstrahlung eines schwarzen Körpers hängt nur von der
Temperatur ab
1. Strahlungsgesetze
- Kirchhoffsches Gesetz
- nicht schwarze Körper sind Körper, die die einfallende Strahlung nicht für alle
Wellenlängen vollkommen absorbieren.
mit
B = Schwarzkörperemission
E =Emission des nicht schwarzen Körpers
ε = Absorptionsvermögen ( ε(λ) < 1)
- die Emission eines beliebigen Körpers ist gleich der eines schwarzen Körpers
multipliziert mit dem Absorptionsvermögen
- das infrarote Emissionsvermögen der meisten nicht – metallischen Oberflächen liegt bei
> 95 % → annähernd schwarze Körper (auch Schnee)
1. Strahlungsgesetze
- Absorptionsspektren verschiedener atmosphärischer Gase
- nahezu absorptionsfreie
Bereiche
→ atm. Fenster 8 - 12 μm
- Ausstrahlung der
Erdoberfläche kann ungehindert
in den Weltraum gelangen
- Satellit kann in diesem
Spektralbereich Erdoberfläche
beobachten
- 6-7 μm: Wasserdampf stark
absorbierend
1. Strahlungsgesetze
- ausgehende Infrarotstrahlung der Erde
- nahezu absorptionsfreie
Bereiche
→ atm. Fenster 8-12 μm
- Satellit kann in diesem
Spektralbereich
Erdoberfläche
beobachten
- Ausstrahlung der
Erdoberfläche kann
ungehindert in den
Weltraum gelangen
wellenzahl
50
52
16
12
Aus David Archers: Global Warming, Understanding the
forecast
10
8
7
6
2. Grundlagen der Fernerkundung
- Wellenlängen solarer und terrestrischer Strahlung und Kanäle für Fernerkundung
Solare Strahlung
Überlapp solare/terrestrische
Strahlung
Absorption
H2O
atm. Fenster (8-12 μm)
2. Grundlagen der Fernerkundung
- Absorption von Strahlung und Kanäle für Fernerkundung
2. Grundlagen der Fernerkundung
Grundideen der Fernerkundung
- Satellitenbilder: Messung elektromagnetischen Strahlung von Sonne/Erde/Atmosphäre
mit Radiometern
- je heisser die Quelle umso grösser die Intensität der Strahlung → Planck
- solar Strahlung mit signifikanter Intensität: 0.2 – 4 μm, Maximum bei ~ 0.5 μm
- terrestrische Strahlung: 3 – 100 μm, Maximum bei ~ 11 μm
- Gase sind keine schwarzen Körper → sie absorbieren/emittieren nur bei bestimmten
Wellenlängen.
2. Grundlagen der Fernerkundung
Wichtige Beobachtungskanäle
1) VIS – von der Erde/Atmosphäre reflektiertes Licht bei 0.4 - 1.1 μm
2) IR – Emission von Erde/Atmosphäre bei 10 - 12 μm (atm. Fenster)
3) WV – Emission von Wasserdampf bei 6 – 7 μm
4) 3.7 μm (channel 3) – Überlapp solare/terrestrische Strahlung (nahes IR)
2. Grundlagen der Fernerkundung
1) VIS
- basiert auf gestreuter und reflektierter Strahlung → Intensität hängt von Albedo (=
Reflektionsvermögen) der Oberfläche bzw. der Wolke ab.
- Land, Meer und Wolken können gut unterschieden werden
i.a. Land heller als Meer aber dunkler als Wolken
- Albedo von Wolken hängt von mikrophysikalischen Eigenschaften ab:
hohe Albedo
– grosse vertikale Ausdehnung
- hoher Flüssigwasser-, Eisgehalt
- kleine Partikel
niedrige Albedo – kleine vertikale Ausdehnung
- wenig Flüssigwasser-, Eisgehalt
- grosse Partikel
2. Grundlagen der Fernerkundung
1) VIS
Reflektionsvermögen (Albedo)
2. Grundlagen der Fernerkundung
1) VIS
Ship tracks at the US West Coast
eoimages.gsfc.nasa.gov/ve/5619/Oregon.A200317..
2. Grundlagen der Fernerkundung
1) VIS
Hochreichende Front-Bewölkung →
hellste Region
See, Meer → tiefe Albedo → dunkel
Dünne, unterbrochene Bewölkung →
dunkle Region
grosse Variation in Albedo
2. Grundlagen der Fernerkundung
1) VIS - Probleme
- Unterscheidung Schnee – Wolken
Kenntniss der Geographie der Oberfläche → werden dunkle Flächen, wie Seen
verdeckt, kann man auf Bewölkung schliessen
- kleine Wolken
Empfangene Strahlung teilweise von Oberfläche, teilweise von Wolken → Region
erscheint als “Mischung” (grau) zwischen heller Wolke (weiss) und dunkler
Oberfläche (schwarz)
- Dünne Wolken
Dünne Wolken habe niedrige Albedo → Strahlung von der darunterliegenden
Oberfläche erreicht Satellit
→ Unterschätzung der Wolkenbedeckung über dunklen Oberflächen
→ dünne Wolke über Wüste (hohe Albedo) kann als Dicke Wolke erscheinen
2. Grundlagen der Fernerkundung
2) IR
- IR – Bild beschreibt die Temperatur der strahlenden Fläche
→ Strahlung wird modifiziert durch Absorption und Re-emission in Atmosphäre
→ Modifikation am geringsten im atmosph. Fenster (8-12 mm)
→ Strahlung die Satelliten erreicht stammt grösstenteils von Oberfläche und
Wolken
- Darstellung: niedrige Temperaturen → weiss
hohe Temperaturen → schwarz
2. Grundlagen der Fernerkundung
2) IR
- IR – Bild beschreibt die Temperatur der strahlenden Fläche
→ Temperatur an Wolkenobergrenze sinkt mit zunehmender Höhe
→ guter Kontrast zwischen Wolken auf verschiedenen Höhen
- Dünne Zirren erscheinen deutlich im IR Bild (v.a. wenn sie über viel wärmerer
Oberfläche liegen)
- Land-See Kontrast am ausgeprägtesten im Sommer und Winter
Probleme:
- tiefe Wolken und Nebel können nachts mit IR nicht identifiziert werden, da sich die
Temperaturen der Wolken und darunterliegenden Oberfläche kaum unterscheiden
2. Grundlagen der Fernerkundung
2) IR
unteschiedl. Höhe der Wolken
über Tief gut erkennbar
Hohe kalte Wolken gut sichtbar
über warmem Meer
2. Grundlagen der Fernerkundung
2) IR: Zuordnung der Höhe der Wolkenobergrenze aus Temperatur
- Umwandlung von emittierter Strahlung in Temperatur
- Dünne Wolken lassen Strahlung von Oberfläche durch
→ Wolken erscheinen wärmer als sie sind
→ Zuordnung einer falschen Höhe
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) WV (water vapour)
- WV Bilder werden abgeleitet aus H20 Absorptionsband (6.7 μm)
- von WV emittierte Strahlung die Satelliten erreicht, kommt nicht von einem
einzigen Level/Höhe sondern aus einer Schicht.
→ brightness temperature beschreibt die “Netto”-Temperatur dieser Schicht und
nicht die einer bestimmten Höhe
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) WV (water vapour)
- zur Interpretation der WV Bilder werden Annahmen gemacht:
a) Grossteil der Feuchte befindet sich in der unteren Troposphäre bis zu einer
bestimmten Höhe
b) oberhalb dieser Höhe ist die Luft relativ trocken und wenn Feuchtigkeit exisitiert
ist sie nicht in Schichten angeordnet
c) die Temperatur nimmt mit der Höhe (in der Troposphäre) ab
d) es gibt keine Wolken
mit zunehmender Höhe der Feuchten Schicht nimmt die gemessene brightness
temperature ab
helle Farben bedeuten viel Feuchte in der oberen Troposphäre
dunkle Farben bedeuten wenig Feuchte in der oberen Troposhäre (Strahlung
kommt von weiter unten wo es wärmer ist → dunkle Farben)
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) WV (water vapour)
●
trockene Luft über 800 hPa
●
Grossteil der Strahlung kommt
von Oberseite der Feuchten
Schicht
●
Brightness T = air T
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) WV (water vapour)
●
Feuchte Schicht bis 600 hPa
●
Strahlung aus Schicht 800 -600
hPa erreicht Satelliten
●
Brightness T > air T bei 600 hPa
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) WV (water vapour)
●
Feuchte Schicht in der mittl.
Troposphäre
●
Farbwert heller als bei Fall 1/2
(ok)
●
Brightness T ≠ T(Luft) bei 350
hPa
●
Strahlung von unterer feuchter
Schicht erreicht Satelliten
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) WV (water vapour)
●
Feuchte Schicht in oberer
Troposphäre
●
Feuchte Schicht hat kleines
Massenmischungsverhältnis
●
Viel Strahlung von unten kommt
durch diese Schicht hindurch
●
Brightness T ≠ T(Luft) bei 200
hPa
●
nur kleiner Anteil wird absorbiert
und re-emittiert bei niedrigem T
●
Farbwert gleich wie bei Fall 2
→ topographisches Konzept
nicht gültig
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) WV (water vapour)
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) Channel 3 (3.7 μm)
- misst in Überschneidung zwischen reflektierter kurzwelliger und emittierter
Strahlung der Erde/Atmosphäre/Wolken
→ nachts: nur IR
→ tags: solarer Beitrag dominant
- Wassertropfen und Eiskristalle absorbieren sehr stark bei 3.7 μm
→ Absorbtion besonders stark bei grossen Partikeln (> 10 μm)
→ Wolken können viele unterschiedl. Helligkeitsstufen annehmen
2. Grundlagen der Fernerkundung
3) Channel 3 (3.7 μm)
Anwendung: Kombinierte Daten (channel3 / IR) zur Identifizierung von Nebel
- Nebel oder Tiefe Wolken können im IR kaum detektiert werden → T zu ähnlich
- 3.7 μm: Erdoberfläche emittiert als schwarzer Strahler, aber Wolken nicht
→ Absorptionsvermögen ε von dicken Wolken ≈ 0.9
- Umwandlung von Strahlung in Temperatur unter Annahme, dass alle Strahler
schwarze Körper sind
→ weniger Strahlung von Wolke wir als niedrigere Temperatur interpretiert als die
wahre Temperatur der Wolke
- Differenz aus IR und channel 3 zeigt Nebel/niedrige Wolken deutlicher
2. Grundlagen der Fernerkundung
Vergleich der unterschiedlichen Kanäle
2. Grundlagen der Fernerkundung
Vergleich der unterschiedlichen Kanäle
- Kontinente heller als Ozeane
- heisse Oberfläche → dunkel
- Sahara (D) sehr hell im Vergleich
zu Gebieten mit Vegetation (V)
- Korrektur für Absorption/
Emission des Wasserdampfes
nötig → heisse Oberfläche um
Äquator erscheint grau (kühler)
- Helle Wolken deutlich zu sehen
- Verschwinden der Küstenlinie
nicht wegen Wolken sondern
wegen Wasserdampf
- hochreichende Bewölkung
deutlich zu sehen in WV und IR
- WV zeigt Feuchteverhältnisse in
oberer Troposphäre
(300 -600 hPa) → niedrige
Wolken nicht gut zu sehen
- Feuchte ist passiver Tracer →
gibt Strömungsverhältnisse in
oberer Atmosphäre an
2. Grundlagen der Fernerkundung
Vergleich der unterschiedlichen Kanäle
VIS
IR
- Kontinente heller als Ozeane
- heisse Oberfläche → dunkel
- Sahara (D) sehr hell im Vergleich
zu Gebieten mit Vegetation (V)
- Korrektur für Absorption/
Emission des Wasserdampfes
nötig → heisse Oberfläche um
Äquator erscheint grau (kühler)
- Helle Wolken deutlich zu sehen
- Verschwinden der Küstenlinie
nicht wegen Wolken sondern
wegen Wasserdampf
IR
- hochreichende Bewölkung
deutlich zu sehen in WV und IR
- WV zeigt Feuchteverhältnisse in
oberer Troposphäre
(300 -600 hPa) → niedrige
Wolken nicht gut zu sehen
- Feuchte ist passiver Tracer →
gibt Strömungsverhältnisse in
oberer Atmosphäre an
3. Satelliten und Orbits
Übersicht polumlaufende und geostationäre Satelliten
3. Satelliten und Orbits
Polumlaufende Satelliten NOAA 15, 16, 17
- in 850 km Höhe
- aufgenommener Pfad ~ 2600 km breit
3. Satelliten und Orbits
Beispiel für Sensoren auf polumlaufenden Satelliten
3. Satelliten und Orbits
Geostationäre Satelliten
- Höhe ~ 36 000 km
Goes-W
Goes-E
Met-7
Met-5
GMS (Goes-9)
3. Satelliten und Orbits
Beispiel für Sensoren auf GOES geostationären Satelliten
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Wettervorhersage / Assimilation
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Wettervorhersage / Assimilation
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Wettervorhersage / Assimilation
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Wettervorhersage / Assimilation
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Wettervorhersage / Assimilation
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Verbesserung der Vorhersage durch Satellitendaten
Vorhersagbarkeit 500 hPa Höhe Südhemisphäre
“forecast skill” mit Assimilation
aller Daten
“forecast skill” ohne
Assimilation von
Satellitendaten
Ausdehnung des “forecast skills” um 48 h
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Verbesserung der Vorhersage durch Satellitendaten
Vorhersagbarkeit 500 hPa Höhe Nordhemisphäre
“forecast skill” mit Assimilation
aller Daten
“forecast skill” ohne
Assimilation von
Satellitendaten
Ausdehnung des “forecast skills” um 10 h
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Entstehung, Intensivierung und Zerfall von Tiefdruckgebieten
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Lage und Identifikation von Wettersystemen anhand von Satellitenbildern
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Lage und Identifikation von Wettersystemen anhand von Satellitenbildern
A: junger Sturm mit kommaförmiger
Wolkenstruktur
C: Cut-off mit Wolkenstruktur von
früherer Kommawolke
B: ausgebildete Zyklone mit okkludierter
Kommawolke
D: Sturm, bei dem sich
Kommawolkenstruktur ausbildet
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Lage und Identifikation von Wettersystemen anhand von Satellitenbildern
- Breites frontales Wolkenband
- vertikal hochreichende Bewölkung (siehe VIS und IR)
- starker Jet Stream
- ausgeprägter Trog an Westseite
→ viel Niederschlag über längere Zeit möglich
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Lage und Identifikation von Wettersystemen anhand von Satellitenbildern
- gut definiertes Wolkenband
- Bewölkung nicht besonders hochreichend (siehe VIS und IR)
- Wolken in der Front sind relativ warm (tiefliegend)
→ geringer Niederschlag
4. Anwendung von Satellitenbeobachtungen
Bestimmung von Typ, Verhalten und Stärke von Wettersystemen anhand von
Satellitenbildern
a) Front nördlich von Hawaii
VIS
- breites, sehr helles Band
→ dicke Wolken
IR
- Band ebenfalls sehr hell (kalt)
→ Wolkenband besteht aus
dicken, hochreichenden Wolken
- Front steht in Verbindung mit
Trog und Jet stream
WV
5. Klimatologie der Bewölkung
ISCCP Daten 1983 - 2008
Bedeckungsgrad tiefe Wolken
5. Klimatologie der Bewölkung
ISCCP Daten 1983 - 2008
Bedeckungsgrad mittelhohe Wolken
5. Klimatologie der Bewölkung
ISCCP Daten 1983 - 2008
Bedeckungsgrad hohe Wolken
5. Klimatologie der Bewölkung
ISCCP Daten 1983 - 2008
Bedeckungsgrad alle Wolken
6. Andere Anwendungen
Beispiel: Mittl. Schnee/Eis Bedeckung Daten 1983 - 2008
Juni/Juli/August
Dezember/Januar/Februar
6. Andere Anwendungen
Beispiel: Jahresmittelwerte am Oberrand der Atmosphäre
aus “Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)”
absorbierte solare Strahlung
- Tropen: ~ 300 W m-2 → höchste Werte über
wolkenfreiem Ozean (Albedo ~0.1), niedrigste Werte
über Wüsten (Albedo ~ 0.2)
-2
- Polargebiete: < 100 W m → Winter ohne Sonne →
Fehlende Einstrahlung kann während Polartag nicht
kompensiert werden wegen vieler Wolken, stark
reflektierenden Eis/Schneeflächen und grossem
Zenithwinkel
abgehende langwellige Strahlung (OLR)
- schwächerer Äquator-Pol Gradient und mehr Variabilität
in Tropen als solare Strahlung
- OLR stark beeinflusst durch Höhe der
Wolkenobergrenze → in Tropen hochreichende
Konvektion → hohe, kalte Wolkenobergrenze → wenig
OLR
- höchste Werte über Wüsten und wolkenfreien/trockenen
Zonen im Pazifik → Strahlung von Erdoberfläche
kann entweichen
6. Andere Anwendungen
Beispiel: Jahresmittelwerte am Oberrand der Atmosphäre
aus “Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)”
netto Strahlung
- Tropen: mehr absorbierte solare Strahlung als OLR
→ Überschuss
- Polargebiete: weniger absorbierte solare Strahlung als
OLR
→ Defizit
Auswirkung auf globalen Energiehaushalt und
Antrieb für globale Zirkulation
Beachte: über manchen der heissesten Wüsten überwiegt
die OLR die absorbierte solare Strahlung
6. Andere Anwendungen
Andere Anwendungen:
- Mikrophysikalische Eigenschaften von Wolken (optische Dicke, Grösse der Partikel,
Eis/Flüssigwasser-Gehalt ….
- Vegetationsklassifizierung
- chemische Messungen (z.Bsp. Ozon)
- Verteilung der Aerosole
...