Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Niederschlag/Messmethoden - Passive Mikrowellen

Teilprojekt Niederschlag

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Die Nutzung von passiven Mikrowellen zum Zweck der Fernerkundung ist eine noch relativ junge Technik. Sie entwickelte sich erst Mitte des 20. Jhd. aus der satellitengestützten militärischen Aufklärung heraus. Der erste Einbau eines passiven Mikrowellenradiometers erfolgte 1968 auf einem russischen COSMOS Satelliten. Umweltdiagnostisch verwertbare Daten lieferte jedoch erst das Electrically Scanning Microwave Radiometer (ESMR), welches auf dem US-Amerikanischen Nimbus-5 Satellit (1973-1976) eingesetzt wurde. Seit dem hat sich die passive Mikrowellenfernerkundung entscheidend weiterentwickelt. Mit den technischen Verbesserungen der Radiometer konnte so auch die räumliche und radiometrische Auflösung enorm gesteigert werden. Zu den wichtigsten heute im Einsatz befindlichen Empfangsanlagen, gehört das Special Sensor Microwave / Imager (SSM/I), an Bord der Satelliten der Defense Meteorological Satellite Programm (DMSP) Serie.

Passive Fernerkundungssensoren wie der SSM/I nutzen dabei die natürliche Emission von der Erdoberfläche und bestimmen so geophysikalische Parameter über die Variation der Emissivität. Durch die Nutzung unterschiedlicher Frequenzbereiche ist es möglich verschiedenste atmosphärische Größen zu messen und Vertikalsondierungen (Feuchte- und Temperaturprofile) durchzuführen. Nachteile entstehen bei der passiven Mikrowellentechnik dadurch, dass die Strahlungsintensität relativ gering ist. Zur Messung setzt dies hochempfindliche Radiometer voraus. Außerdem erschwert diese Tatsache den Einsatz auf geostationären Satelliten, welche sich in einer Umlaufbahn von ca. 36.000 km befinden. Da passive Mikrowellenmesssysteme somit nur auf polarumlaufenden sonnensynchronen Satelliten montiert sind, unterliegen die Daten der Einschränkung, dass sie für die meisten Gebiete nur 1 bis 2 mal am Tag zur Verfügung stehen.

Strahlungstheoretische Grundlagen

Transmission der Atmosphäre im Mikrowellenbereich

In der Niederschlagsfernerkundung haben VIS- und IR-Techniken den Nachteil, dass sie nur indirekte Verfahren zur Bestimmung hydrometeorologischer Parameter darstellen. Außerdem sind Wolken für beide Spektralbereiche undurchlässig, so dass ein möglicher Niederschlag nur von der Wolkenoberfläche abgeleitet werden kann. Die Nutzung von passiven Mikrowellen hingegen, bietet die Möglichkeit direkte Informationen über bestimmte atmosphärische Größen zu erhalten.

Die natürliche Mikrowellenstrahlung ist eine inkohärente Wärmestrahlung und basiert auf thermischer Emission der Erdoberfläche und atmosphärischer Bestandteile. Sie ist somit Teil des elektromagnetischen Spektrums und erstreckt sich innerhalb des Frequenzbereiches von 300 GHz – 1 GHz, mit Wellenlängen von 1 mm – 30 cm. Der Vorteil für die Fernerkundung besteht darin, dass in diesem Bereich die Atmosphäre eine weitgehende Transparenz aufweist. Atmosphärische Wechselwirkungen werden hauptsächlich nur durch den relativ homogen verteilten Sauerstoff und den zeitlich und räumlich stark schwankenden Wasserdampfgehalt hervorgerufen. Welche Bestandteile dabei mit der Strahlung interagieren hängt in großem Maße von der Frequenz ab. Die Dämpfung durch die Atmosphäre nimmt im Mittel mit der Frequenz zu. Im Mikrowellenspektrum befinden sich vier deutlich abgrenzbare Dämpfungsmaxima, sogenannte Rotationsabsorptionslinien. Diese unterschiedlich starken Adsorptionslinienkomplexe sind auf das magnetische Dipolmoment des O2 Moleküls und auf das elektrische Dipolmoment des H2O Moleküls zurückzuführen. Dadurch ergeben sich relative Dämpfungsmaxima bei 118 GHz und zwischen 50 - 70 GHz, hervorgerufen durch die Molekülresonanz des Sauerstoffes, ebenso wie bei 22,235 GHz und 183,31 GHz durch die Molekülresonanz des Wasserstoffes. Außerhalb der genannten Bereiche ist die Atmosphäre für Mikrowellenstrahlung relativ transparent. Dies sind atmosphärische Fensterbereiche. Verändert sich auf dem Strahlungsweg ein oder mehrere Parameter so findet eine Dämpfung oder durch erhöhte Eigenstrahlung (Emission) eine Zunahme der Mikrowellenstrahlung statt. Die Abweichung hängt dabei in großen Maß von der Frequenz und der Art der atmosphärischen Partikel ab. Zu- bzw. Abnahme sind dabei gleichzeitige Prozesse. Während durch die Eigenemission der Hydrometeore z.B. die Strahlungsintensität steigt, nimmt sie gleichzeitig durch erhöhte Streuung an den selbigen ab.

Die an einem Mikrowellenradiometer gemessene Strahlung ist ein Resultat aus der Strahlung des Hintergrundes, des betrachteten Objektes selbst, sowie die Strahlung der Umgebung zwischen Objekt und Sensor. Diese sind wiederum abhängig von objektspezifischen Größen: Emissionsvermögen, Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen bzw. Streuvermögen, Transmissionsvermögen. Daraus ergibt sich für homogene Oberflächen eine scheinbare Strahlungstemperatur (Ts) nach der folgenden Formel:

$T_{s}=\varepsilon \cdot T_{W}+\rho \cdot T_{U}+\tau \cdot T_{H}\quad {\text{wobei}}\quad \varepsilon +\rho +\tau =1$

• $T_{s}$ - Strahlungstemperatur
• $T_{W}$ - wahre Temperatur der homogenen Schicht
• $T_{U}$ - Strahlungstemperatur der Umgebung vor dem Objekt
• $\varepsilon$ - Emissionsvermögen
• $\rho$ - Reflexionsvermögen
• $\tau$ - Transmissionsvermögen

für zu bestimmende Größen/Parameter unter realen Bedingungen ergibt sich die scheinbare Strahlungstemperatur aus den Formeln:

$T_{s}=\varepsilon \cdot T_{W}+(1-\varepsilon )\cdot T_{U}\quad {\text{bzw.}}\quad (1-\rho )\cdot T_{W}+\rho \cdot T_{U}$

bei der Messung von Satelliten, muss das Transmissionsvermögen der Atmosphäre mit betrachtet werden. Für gasförmige Medien ergibt sich daraus eine Strahlungstemperatur nach der Formel:

$T_{M}=\tau \cdot T_{s}+(1-\tau )\cdot T_{A}$

• $T_{A}$ - gewichteter Mittelwert der Atmosphärentemperatur

Land- und Seeflächen haben im Mikrowellenbereich unterschiedliche Emissionsvermögen und Polarisationen. Über Seeflächen beträgt die Emissivität (ε ~ 0,4). Sie ist gering und relativ konstant. Somit steht sie in starken Kontrast zu der von Niederschlag, welche bei Werten um 0,8 liegt. Dies erleichtet den Nachweis über Seeflächen, da durch den Niederschlag ein Anstieg der niedrigen Hintergrund-Mikrowellenstrahlung registriert werden kann. Landflächen hingegen haben eine sehr variable Mikrowellenemission. Sie ist abhängig von den Eigenschaften der Oberfläche z.B. Vegetation oder Feuchtigkeitsgehalt. Die sehr hohen Emissionsraten (ε ~ 0,7 – 0,9) liegen sehr nahe an den Werten des Niederschlages. Durch Niederschlag steigt die Strahlungsintensität, aber gleichzeitig wird ebenfalls Strahlung absorbiert. Die Messung der Polarisation von passiver Mikrowellenstrahlung bietet ebenso eine Möglichkeit Wechselwirkungen mit Hydrometeoren innerhalb der Atmosphäre nachzuweisen. Wie bei den Emissionsraten unterscheiden sich die Polarisationen von Land- und Seeflächen. Da Regen eine niedrige Polarisation besitzt, bildet dieser über See einen scharfen Kontrast zu der niedrigen Polarisation der Seeoberflächen. Landflächen hingegen haben im Mikrowellenspektrum ebenfalls eine sehr niedrig Polarisation, ähnlich der des Niederschlages. Die geringen Unterschiede der Emissionsraten und der Polarisation erschweren den Nachweis von Regengebieten über Land erheblich.

Die Wahl der richtigen Frequenz spielt bei der Bestimmung, der verschiedenen Parameter, ein große Rolle. So sind Imager mit Frequenzreichweiten der Sensoren von 19 - 85,5 GHz ausgestattet. In diesem Bereich interagiert die passive Mikrowellenstrahlung mit den Haupttypen der Hydrometeore. Sounder, wie sie heutzutage ebenfalls eingesetzt werden, bedienen sich hingegen noch weiterer Kanälen.

Sensoren

Imagers

DMSP

Das wichtigste Instrument/ Sensor zur satellitengestützten Mikrowellen-Fernerkundung ist das SSM/I (Special Sensor Microwave / Imager), an Bord der Satelliten der Defense Meteorological Satellite Programm (DMSP) Serie. Dieses Instrument ist in der Lage Mikrowellenstrahlung über einen 1400 km weiten Schwad in vier unterschiedlichen Frequenzbereichen zu messen.

Spektrale und räumliche Reichweiten des SSM/I-Instruments

Channels	1, 2	3	4, 5	6, 7
Central Frequency Pol. (GHz)	19.35	22.24	37.0	85.5
Radiometric Pol. (V/H) (*)	V, H	V	V, H	V, H
Thermal resolution (K)	0.8	0.8	0.6	1.1
Integrated FOV (Km)	70x45	60×40	38×30	16×14
Spatial sampling (Km)	25	25	25	12.5
Scan angle			102.4 °
Sweep periodicity			1.9 s
Ground incidence			53.1 °
Swath width			1394 Km
Antenna diameter			65  cm
Weight			120 Kg
Power			70 W

Das Radiometer erfasst, außer bei Kanal 3 (22,235 GHz), beide Polarisationen (vertikal und horizontal). Über 60 GHz dominiert die Streuung an Eisteilchen. Bei einer Frequenz um die 22 GHz stellt die Absorption an Wasserteilchen die größte Beeinflussung der Mikrowellenstrahlung, auf ihrem Weg durch die Atmosphäre, dar. Die Eisschicht oberhalb der Regenschicht ist dabei scheinbar transparent . So ist es möglich, über die Nutzung unterschiedlicher Frequenzen, mit Hilfe verschiedener Algorithmen, Informationen über hydrometeorologischer Parameter der Atmosphäre zu erhalten. Nach Weinmann und Guetter (1977) ist der verfälschende Effekt der Hintergrundstrahlung von verschiedenen Oberflächen, erst ab Regenraten von weniger als 4 mm h^-1 spürbar. Die einfachsten Algorithmen nutzen die PCT (polarization corrected temperature), um aus den gemessenen Strahlungsintensitäten/ Strahlungstemperaturen sowie den vertikalen und horizontalen Polarisationen rain und no-rain Gebiete auszuweisen. Diese haben den großen Vorteil, dass mit Hilfe der PCT der Effekt des Hintergrundemissionsvermögens reduziert werden kann. So ist es möglich, Regengebiete über verschiedenen Untergründen (z.B. See- und Landflächen) mit dem gleichen Algorithmus zu bestimmen. Dies hat den positiven Effekt, dass man Niederschlagsinformationen von Küstengebieten ermitteln kann, welche durch Emissionen von Land- und Seeflächen gleichzeitig beeinflusst werden.

Komplexere Ansätze benutzen zeitlich variable Wolken-Strahlungsmodelle und beziehen so mikrophysikalische Prozesse mit in die Betrachtung ein. Diese weisen eine hohe Empfindlichkeit auf. Die zugrundeliegenden Wolken-Strahlungsdatenbanken müssen so exakt wie möglich den realen Bedingungen entsprechen. Modelle können nicht einfach auf andere Gebiete übertragen werden, da dies die Ergebnisse verfälschen würde.

Weitere Ansätze betrachten ebenfalls den Unterschied zwischen konvektiven und stratiformen Niederschlagskomponenten. Ein einfaches Modell für stratiforme Niederschlagswolken wurde von Petty (2001a)/(2001b) beschrieben. Damit ist es möglich Wolken- und Umgebungseigenschaften, sowie die Größe, Verteilung und Dichte zu variieren und den Einfluss dieser Veränderungen auf die Mikrowellenstrahlung zu bewerten. Konvektive Einflüsse lassen sich hingegen mit einem solchen 1D Modell nur bedingt beschreiben, da von einem relativ konstanten Zustand ausgegangen wird. Stark konvektive Bedingungen können nicht als unveränderlich angesehen werden, denn hierbei ist der horizontale und vertikale Austausch von erheblicher Bedeutung.

Für die SSM/I Daten gibt es in der Literatur sehr viele verschiedene Ansätze um hydrometeorologische Parameter abzuleiten. Einen idealen und optimalen Algorithmus, der alle wahrscheinlichen Möglichkeiten und Situationen mit einbezieht, gibt es aber nicht. Jeder für sich hat seine Stärken, aber auch seine Schwächen. So muss immer das passende Modell nach der spezifischen Fragestellung gewählt werden. Um genauere Ergebnisse zu erzielen ist es, durch die niedrige zeitliche und räumliche Auflösung der Mirkowellen-Imagers, von Vorteil diese Daten mit anderen Methoden zu kombinieren.

Sounders

The Advanced Microwave Sounding Unit

AMSU Scans Western Europe

Sounders sind ebenfalls Mikrowellenradiometer, welche auf polarumlaufenden Satelliten montiert sind. Es gibt verschiedene Instrumente, welche zur Zeit im Einsatz sind. Dazu zählen z.B. auch die SSM/T und SSM/T 2 Sounders, welche sich ebenfalls an Board der DMSP Satelliten Serie befinden. Diese sind aber hauptsächlich dafür konzipiert Temperaturprofile zu erstellen. Eines der aktuell bedeutendsten dieser Instrumente, um hydrometeorologische Daten zu gewinnen, ist die von der National Oceanic and Atmospheric Adminsitration (NOAA) eingesetzte AMSU-A in Kombination mit der AMSU-B (Advanced Microwave Sounding Unit). Der Schwerpunkt liegt hierbei in der Bestimmung von vertikalen atmosphärischen Temperatur- und Feuchteprofilen und der Erfassung der Meereisbedeckung.

AMSU-A -- Technische Daten

No. Ch.	Center Frequency	No. of Pass Bands	Bandwidth (MHZ)	Center Frequency Stability (MHZ)	Temperature Sensivity (K) NE∆T	Calibrations Accuracy (K)	Angel θp
1	23.800MHZ	1	270	10	0,3	2,5	V
2	31.400MHZ	1	180	10	0,3	2,0	V
3	50.300MHZ	1	180	10	0,4	1,5	V
4	52.800MHZ	1	400	5	0,25	1,5	V
5	53.596MHZ +-115MHZ	2	170	5	0,25	1,5	H
6	54.400MHZ	1	400	5	0,25	1,5	H
7	54.940MHZ	1	400	5	0,25	1,5	V
8	55.500MHZ	1	330	10	0,25	1,5	H
9	57.290,334MHZ = fLO	1	330	0,5	0,25	1,5	H
10	fLO +-217MHZ	2	78	0,5	0,4	1,5	V
11	fLO +-322,2MHZ +-48MHZ	4	36	1,2	0,4	1,5	V
12	fLO +-322,2MHZ +-22MHZ	4	16	1,2	0,6	1,5	V
13	fLO +-322,2MHZ +-10MHZ	4	8	0,5	0,80	1,5	V
14	fLO +-322,2MHZ +-4,5MHZ	4	3	0,5	1,20	1,5	V
15	89,000GHZ	1	6.000	50	0,5	2,5	V

AMSU-B -- Technische Daten

Channel Number	Center Frequency (GHZ)	Double Sided Maximum	Pass Band	IF Band	Stop Band
16	89,0	6	3.000	> 1.000	+-400
17	150,0	4	2.000	> 1.000	+-400
18	183,31 +-1,0	1	2 x 500	500	-
19	183,31 +-3,0	2	2 x 1.000	1.000	-
20	183,31 +-7,0	4	2 x 2.000	2.000	-

Datei:AMSU Total Precipitable Water.jpg

AMSU_Total_Precipitable_Water

Mit Hilfe verschiedener Algorithmen lassen sich so Informationen über Total Precipitable Water (TPW), Cloud Liquid Water (CLW), Sea Ice Concentration (SICE), Ice Water Path (IWP), Rain Rate und Snow Cover (SNOWC) etc. ableiten. Im Gegensatz zu der konischen Scanngeometrie der Imagers, benutzen diese Instrumente ein Across-Track Scanning Verfahren, welches schrittweise die Strahlungsleistung, im rechten Winkel zur Flugbahn des Satelliten, abtasten.