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Flächenhafte Messung der Oberflächenströmung vom fahrenden Schiff aus - Eine neue Anwendung des Hochfrequenz-Radarverfahrens am Beispiel der Arktisfront


K.-W. GURGEL
University of Hamburg Ph.D. Thesis, published in: Berichte aus dem Zentrum für Meeres- und Klimaforschung, Reihe B: Ozeanographie, Nr. 4, 1993.
Einleitung - - Neben den konventionellen, in der Ozeanographie bewährten in situ-Meßgeräten sind in den letzten 20 Jahren eine Reihe von Fernerkundungsverfahren entwickelt worden. Im Gegensatz zu den konventionellen Methoden, die Meßwerte jeweils am Ort des Sensors liefern, können Fernerkundungsverfahren an vielen Punkten gleichzeitig messen. So kann die Strömungsgeschwindigkeit mit den konventionellen Methoden nur punktuell durch verankerte Meßgeräte oder indirekt über die Geostrophie aus dem Dichtefeld bestimmt werden. Fernerkundungsverfahren hingegen liefern Tiefenprofile oder zweidimensionale Felder der Strömungsgeschwindigkeit. Dieses ist bei der synoptischen Erfassung dynamischer Vorgänge hilfreich.

Die Fernerkundung verwendet als Informationsträger akustische oder elektromagnetische Wellen, die mit dem jeweiligen Meßmedium in Wechselwirkung treten. Die akustischen Verfahren haben den Vorteil, daß sie in den Wasserkörper eindringen und wie beim ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) ein vertikales Profil der Strömungsgeschwindigkeit messen können. Neben dem ADCP gibt es tomographische Verfahren, die mit mehreren z.B. auf einem Kreis angeordneten Sendern und Empfängern den Wasserkörper "durchleuchten".

Die elektromagnetischen Verfahren arbeiten mit Licht, Mikrowellen oder auch im HF-Bereich (50 m bis 5 m Wellenlänge). Man unterscheidet aktive und passive Verfahren. Die passiven Verfahren sind auf die Sonne zur Beleuchtung angewiesen oder messen die Rückstrahlung, z.B. im Infrarotbereich von der erwärmten Wasseroberfläche. Die aktiven Verfahren verwenden einen Sender zur Beleuchtung des Meßgebietes. Dieser kann bei den optischen Verfahren ein UV-Laser sein, der je nach Wellenlänge die oberste Wasserschicht mit dem möglicherweise darüberliegenden Oberflächenfilm zur Rückstreuung anregt. Bei den Mikrowellen- und HF-Radars wird ein Impuls oder Frequenzchirp ausgesendet und das rückgestreute Signal ausgewertet.

Ein Mikrowellenradar kann von Land, einem Schiff, einem Luftfahrzeug (z.B. Flugzeug oder Hubschrauber) oder einem Raumfahrzeug (z.B. Satellit oder Weltraumfähre) aus betrieben werden. Luft- oder Raumfahrzeuge haben den Vorteil, daß das Radar innerhalb kurzer Zeiträume große Flächen abtasten kann. Werden diese Radars mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegt, ergibt sich bei Auswertung der Phasenlage der einzelnen Echos die Möglichkeit, mit Hilfe der Dopplerverschiebung die Auflösung bis in den Meterbereich zu steigern (SAR, Synthetic Aperture Radar). Für beschleunigte Bewegungen werden die Algorithmen sehr kompliziert. In den letzten Jahren sind flugzeuggetragene interferometrische SARs entwickelt worden, die zwei um etwa 20 m voneinander entfernte Antennensysteme verwenden (ATI, Along Track Interferometry ). Damit wird es künftig möglich sein, auch die Strömungsgeschwindigkeit an der Wasseroberfläche in Blickrichtung der Antenne zu messen.

Im HF-Bereich erfolgt die Wellenausbreitung nicht nur gradlinig, sondern auch als Bodenwelle, die über gut leitendem Salzwasser nur wenig gedämpft wird. Sie kann sich je nach Arbeitsfrequenz bis zu 300 Kilometer weit ausbreiten. Daher können von einem festen Standort aus große Seegebiete über lange Zeiträume kontinuierlich beobachtet werden. Ein HF-Radar bestimmt aus der Dopplerverschiebung des empfangenen Echos die Radialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit an der Wasseroberfläche bezüglich des Radar-Standortes. Die längste vom Institut für Meereskunde der Univerität Hamburg durchgeführte Messung ist eine halbjährliche Beobachtung der Strömungsverhältnisse in der Deutschen Bucht.

Mit der im HF-Bereich an der Ionosphäre reflektierten Raumwelle ist es möglich, große Bereiche der Meeresoberfläche zu beobachten, die viele hundert Kilometer vom Radarstandort entfernt liegen. Die Auswertung ist jedoch schwierig, weil die Spiegelung in der Ionosphäre instabil ist und das Signal auf dem Hin- und Rückweg zusätzlich moduliert wird.

Allen elektromagnetischen Verfahren ist gemein, daß die Eindringtiefe in den Wasserkörper auf wenige Zentimeter oder Dezimeter beschränkt ist. Im SAR werden jedoch ozeanographische Erscheinungen aus größerer Wassertiefe, wie z.B. interne Wellen, durch deren Wechselwirkungen mit der Wasseroberfläche indirekt sichtbar.

Das Hauptanliegen dieser Arbeit besteht darin, aufzuzeigen, wie ein ursprünglich für den Einsatz an einem festen Standort konzipiertes HF-Radar auch von Schiffen aus erfolgreich eingesetzt werden kann. Als Basis dient das von D.E. Barrick bei der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA) entwickelte CODAR (Coastal Ocean Dynamics Applications Radar), das von uns in den Jahren 1981 bis 1984 weiter optimiert und in vielfältigen Meßkampagnen international eingesetzt worden ist. Ab 1985 hat sich im Rahmen der Klimaforschung die zusätzliche Fragestellung nach den mesoskaligen Vermischungsprozessen im Nordatlantik an der Eiskante und der Arktisfront ergeben. Das Schiffs-CODAR ermöglicht auch in diesem Seegebiet neue Einblicke in die Zirkulation. Die Spannweite dieser Arbeit reicht vom Rückstreuvorgang an der bewegten rauhen Wasseroberfläche über Aspekte der Signalverarbeitung und Auswertealgorithmen, die speziell für den Schiffseinsatz entwickelt werden mußten, bis zu qualitativen Vergleichen von ozeanographischen Meßergebnissen im Bereich der Arktisfront. Die Arbeit ist daher in drei Kapitel gegliedert. Im ersten Kapitel wird die Funktionsweise des landgestützten CODARs erläutert. Es dient in erster Linie als Systembeschreibung und Nachschlagewerk. Im zweiten Kapitel werden die notwendigen Erweiterungen und Änderungen am Land-System hergeleitet und beschrieben, die für einen erfolgreichen Schiffs-Einsatz erforderlich sind. Das dritte Kapitel beschreibt ozeanographische Ergebnisse. Es werden u.a. die mit dem Schiffs-CODAR gemessenen Oberflächenströmungsfelder mit geostrophisch berechneten Strömungsfeldern verglichen.


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