Satellitenmeteorologie: 59 Tabellen
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Stuttgart
Ulmer [u.a.]
2012
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3525 : Fernerkundung, Geowissenschaften, Klima, Meteorologie |
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Inhalt
Vorwort. 11
1 Was bedeutet Satellitenmeteorologie?. 14
1.1 Motivation für satellitengestützte Fernerkundung . 14
1.2 Sprache und Namen. 20
1.3 Grundlagen. 22
1.3.1 Vorteile der Satellitenmeteorologie. 22
1.3.2 Probleme der Satellitenmeteorologie. 24
1.3.3 Kalibration und
Validation
. 28
1.4 Beispiele meteorologischer Fernerkundung. 29
1.4.1 Information aus einem Kanal. 29
1.4.2 Information aus der Kombination mehrerer Messungen . 34
1.5 Vom gemessenen Signal zur gesuchten Information . 36
2 Licht und andere elektromagnetische Strahlung. 42
2.1 Grundlagen. 42
2.1.1 Farbe, Wellenlänge und Frequenz: Eigenschaften
der Strahlung. 42
2.1.2 Emission, Absorption und Streuung. 48
2.1.3 Strahlen und andere Strahlungsgrößen . 49
2.2 Die Gesetze von Planck und Kollegen. 57
2.2.1 Plancksches Strahlungsgesetz. 57
2.2.2 Die Wellenlänge maximaler Strahlung und
das Rayleigh-Jeans-Gesetz. 61
2.2.3 Stefan-Boltzmann-Gesetz. 62
2.2.4 Wie gehören Emission und Reflexion zusammen? . 63
2.3 Woher kommt die Strahlung, die bei der
Satellitenmeteorologie genutzt wird?. 65
2.3.1 Strahlung von der Sonne. 66
2.3.2 Strahlung von der Erde. 68
2.3.3 Strahlung von Lasern und Mikrowellensendern. 69
Peter Köpke
Peter Köpke
Peter Kôpke
3 Was passiert mit der Strahlung bis zum Signal
am Satelliten?. 73
3.1 Extinktionsgesetz. 73
3.1.1 Extinktionskoeffizient und Transmission. 73
3.1.2
Absorptions-
und Streukoeffizient. 75
3.2 Strahlungstransportgleichung . 77
3.2.1 Strahlung mit Schwächung und Verstärkung. 77
3.2.2 Was trägt alles zum Signal am Satelliten bei?. 81
3.2.3 Lösung der Strahlungstransportgleichung. 82
3.3 Streuung und Teilcheneigenschaften. 83
3.3.1 Teilchengröße und Wellenlänge. 83
3.3.2 Streutheorien. 85
3.3.3 Streufunktion. 88
3.4 Was passiert in der Atmosphäre und am Boden?. 89
3.4.1 Eigenschaften im solaren Spektralbereich. 90
3.4.2 Strahlungstransport im solaren Spektralbereich. 92
3.4.3 Eigenschaften im terrestrischen Spektralbereich. 93
3.4.4 Strahlungstransport im terrestrischen Spektralbereich . . 95
3.4.5 Eigenschaften im Mikrowellenbereich. 96
3.4.6 Strahlungstransport im Mikrowellenbereich. 98
Peter Köpke 4 Wie fliegt ein Satellit? Wie wird ein Signal gemessen
und genutzt?. 101
4.1 Umlaufbahnen: Orbits. 101
4.1.1 Zur Physik, die alles bestimmt. 101
4.1.2 Geostationäre Satelliten. 104
4.1.3 Polarumlaufende Satelliten. 106
4.2 Wie blickt ein Sensor? Beobachtungsgeometrien. 109
4.2.1 Nadirsondierung. 110
4.2.2
Okkultation
und Horizontsondierung. 114
4.3 Radiometereigenschaften. 116
4.3.1 Aufbau. 116
4.3.2 Am Detektor verfügbare Energie. 118
4.4 Wie wird das Signal genutzt?. 120
4.4.1 Kombination unterschiedlicher Information. 120
4.4.2 Vegetationsindex und Ozeanfarbe. 121
4.4.3 Vertikalprofil mittels spektraler Messungen. 124
4.4.4 Vertikalinformation mittels Laufzeit. 126
4.4.5 Doppler-Effekt. 127
4.4.6 Winkel, Polarisation und Abstand. 128
4.4.7 Mischungsregel. 129
Kurt P. Günther 5 Temperatur. 132
5.1 Einleitung. 132
5.2 Methoden. 133
5.2.1 Grundsätzliches. 133
5.2.2
Bodentemperatur
.134
5.2.3 Landoberflächentemperatur
LST
.136
5.2.4 Meeresoberflächentemperatur
S
ST
.138
5.2.5
Validation
.140
5.2.6
Lufttemperatur
.142
5.3 Anwendung.143
5.3.1 Landoberflächentemperatur.145
5.3.2 Meeresoberflächentemperatur.148
5.3.3 Weitere Anwendungen.150
6 Wolken.155 Gerhard Gesell
6.1 Die Bedeutung der Wolken.156
6.1.1 Der Einfluss der Wolken auf Strahlungsbilanz und Klima 156
6.1.2 Die Doppelrolle der Wolken in der Fernerkundung. . . .156
6.2 Methodik der Fernerkundung von Wolken.157
6.2.1 Die physikalischen Eigenschaften von Wolken.158
6.2.2 Systematik der
makro-
und mikrophysikalischen
Wolkenparameter.162
6.2.3 Qualitative Wolkenerkennung: Die Identifikation
von Wolken in Satellitendaten. 163
6.2.4 Quantitative Ableitung makrophysikalischer
Wolkenparameter. 169
6.2.5 Quantitative Ableitung mikrophysikalischer
Wolkenparameter. 170
6.2.6 Methodenübersicht zur Wolkenanalyse aus
Satellitendaten. 173
6.2.7
Validation
der Wolkenfernerkundung. 177
6.3 Anwendungsbeispiele. 180
6.3.1 Zeitreihen von Wolkenparametern und Klimatologien
aus Satellitendaten.182
6.3.2 Wolkenfernerkundung für Wetter und Klima.185
6.3.3 Beispiel einer Wolkenanalyse aus GOME2-Daten.188
6.3.4 Beispiel für die Wolkenerkennung in Daten von
Landnutzungssatelliten.189
7 Niederschlag.192 Peter Bauer
7.1 Einleitung.192
7.2 Methodik.194
7.2.1 Strahlungstransportmodellierung.196
7.2.2 Sichtbar/Infrarot.197
7.2.3 Mikrowellen.200
7.2.4 Kombinierte Methoden.203
7.2.5
Validation
.205
7.3 Einige Ergebnisse.207
Oliver Reitebuch
Thomas Holzer-Popp
und
Matthias Wiegner
Herbert Fischer
Wolfgang Dierking
und Peter Lemke
8 Wind.212
8.1 Das Windfeld in der Atmosphäre.212
8.2 Methodik.214
8.2.1 Bewegung von Wolken und Wasserdampfstrukturen . .214
8.2.2 Rauigkeit der Ozeanoberfläche.219
8.2.3 Doppier-Verfahren für Windprofile.221
8.3 Anwendungen.225
8.3.1 Wettervorhersage und Hurrikans.225
8.3.2
Klimatologie
hoher Windgeschwindigkeiten
im Nordatlantik.226
8.3.3 Windklimatologien als Basis für die Nutzung
der Windenergie.228
9 Aerosol.231
9.1 Einleitung.231
9.2 Passive Methoden zur Aerosolfernerkundung.233
9.2.1 Grundlagen.233
9.2.2 Gängige Algorithmen.238
9.2.3
Validation
.240
9.3 Aktive Methoden zur Aerosolfernerkundung.241
9.3.1 Grundlagen.241
9.3.2 Missionen und Ergebnisse.244
9.4 Anwendungen.246
9.4.1 Räumliche und zeitliche Variation der AOD.246
9.4.2 Komponenten des Aerosols.251
9.4.3 Feinstaub.253
9.4.4 Aerosol als Störgröße.254
10 Spurengase.257
10.1 Einführung.257
10.2 Methoden.259
10.2.1 Die Messaufgabe.259
10.2.2 Die Messgeometrie.260
10.2.3 Das Spektrum in der Atmosphäre und dessen Nutzung .262
10.3 Satellitenmissionen mit Spurengassondierungen.270
10.4. Ergebnisse.271
10.4.1 Ergebnisse zur Luftverschmutzung.271
10.4.2 Ergebnisse zur Klimaforschung.275
10.4.3 Ergebnisse zur stratosphärischen Ozonforschung . . . .277
10.4.4 Sonstige Forschungsgebiete.279
10.5 Genauigkeit und
Validation
der Satellitenmessungen . .280
11 Eis und Schnee.283
11.1 Einleitung.283
11.2 Technologien und Methoden.286
11.2.1 Optische und thermische Sensoren.286
11.2.2 Mikrowellen-Radiometer.287
11.2.3 Beispiel zur Datenauswertung: Meereiskonzentration . .288
11.2.4 Laseraltimeter.291
11.2.5 Radaraltimeter.292
11.2.6 Beispiel zur Datenauswertung: Meereisdicke.294
11.2.7 Scatterometer.295
11.2.8 Abbildendes Radar (RAR und SAR).295
11.2.9
Interferometrie
als spezielles Auswerteverfahren
für SAR-Daten.299
11.2.10 SAR-Interferometrisches Radaraltimeter.301
11.3 Beispiele zu Anwendungen und Ergebnissen.302
11.3.1 Ausdehnung schneebedeckter Gebiete.302
11.3.2 Albedomessungen.303
11.3.3 Meereisausdehnung und-konzentration.304
11.3.4 Meereisdrift.306
11.3.5 Meereisdicke.307
11.3.6 Meereisklassifizierung .308
11.3.7 Topographie der Eisschilde und Fließbewegung
der Ausflussgletscher.309
11.3.8 Schmelzgebiete auf den Eisschilden .312
11.3.9 Schneeakkumulation auf den Eisschilden.312
11.3.10 Schelfeis-und Gletscherabbrüche .313
12 Strahlung.317 Richard Müller und
12.1 Einleitung.317 Rainer Hollmann
12.2 Erfassung der Strahlungskomponenten am Oberrand
der Atmosphäre.318
12.2.1 Grundlagen.318
12.2.2 Methodik.319
12.2.3 Anisotropie-Korrektur, Kalibration und
Satelliten-Missionen.320
12.3 Solare Einstrahlung am Erdboden.323
12.3.1 Methodik.323
12.3.2 LUT-Verfahren .325
12.3.3 Heliosat-Verfahren.326
12.3.4
Validation
.332
12.4 Thermische Einstrahlung an der Erdoberfläche.335
12.4.1 Methodik.335
12.4.2 Das Verfahren von
Gupta
.336
12.5 Anwendungen und Diskussion.337
12.5.1 Strahlungshaushalt der Erde.337
12.5.2 Solare Einstrahlung am Erdboden.339
12.5.3
Validation
von modellbasierten Strahlungs-
Klimamodellen.341
12.5.4 EUMETSAT's CM
SAF
.341
Petra
Demmler
und 13 Meteorologische Satelliten und Sensoren .344
Sabine Hensold 13.1 Meteorologische Satelliten.344
13.2 Chronik meteorologischer Satelliten.345
13.2.1 Geostationäre Satelliten.346
13.2.2 Satelliten auf niedriger Flugbahn.347
13.2.3 Forschungssatelliten.348
13.3 Gegenwärtige Satelliten.349
13.3.1 Geostationäre Satelliten.349
13.3.2 Satelliten auf niedriger Flugbahn.352
13.3.3 Forschungssatelliten.354
13.4 Instrumente.359
13.4.1 Typen.359
13.4.2 Eingesetzte Instrumente.360
13.5 Zukünftige meteorologische Satelliten und Sensoren . .365
Tabellen zum Kapitel 13.370
Literaturverzeichnis .387
Zitierte Literatur.387
Weiterführende Literatur.394
Fernerkundung.394
Strahlung und Strahlungseigenschaften.395
Meteorologie und
Klimatologie
.395
Webseiten.396
Satellitenmeteorologie (Grundlagen).396
Satelliten und Sensoren, Organisationen und Institute . . 396
Retrievalverfahren (inkl.
Validation)
.397
Abgeleitete Produkte (Daten, Bilder, Zeitreihen etc.) . . . 398
Spezialthemen meteorologischer Fernerkundung . 399
Akronyme.401
Register.407
Beiträge zu diesem Buch leisteten.413
Das Buch gibt einen fundierten Einblick in Grundlagen,
Methoden und Ergebnisse der Satellitenmeteorologie,
d. h. der satellitengestützten Fernerkundung der Atmo¬
sphäre und ihrer Randbereiche zur globalen Gewinnung
von Daten über
wetter-
und klimarelevante Parameter.
Strahlungsphysik, Satellitenbahnen und Messprinzipien
als Grundlagen werden allgemeinverständlich dar¬
gestellt. Fachautoren erläutern in Einzelkapiteln die
Nutzung von Satellitendaten zur Bestimmung meteo¬
rologischer Größen, wie etwa Wind oder Niederschlag.
Sensoren, Messmethoden und Ableitungsverfahren
werden beschrieben und Ergebnisse anhand von Bei¬
spielen veranschaulicht. Mehr als 150 Abbildungen
erleichtern das Verständnis. Tabellen zu Kenndaten von
Satelliten und Instrumenten, ein umfangreiches Glossar,
themenspezifische Literaturlisten und Web-Links runden
das Werk ab. |
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