Flächendeckende Bestimmung der kurzwelligen Albedo

ERSCliP - Ergebnis : Flächendeckende Bestimmung der kurzwelligen Albedo

Teilprojekt Universität Basel

Institut für Meteorologie, Klimatologie und Fernerkundung, Departement Umweltwissenschaften, Universität Basel / Schweiz

Für den Wärmehaushalt der Erde sind Strahlungsflüsse verschiedener Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums von Bedeutung. Einige sind zur Erdoberfläche hin, andere sind von der Erdoberfläche weg gerichtet, werden daher durch die Landnutzung beeinflußt und können daher mit Hilfe von Satellitendaten bestimmt werden:

• Die Strahlungsenergiequelle für alle meteorologischen Prozesse ist das Sonnenlicht. Diese Strahlung wird auch als solare kurzwellige Einstrahlung (E) bezeichnet. Sie setzt sich nach dem Durchgang durch die Atmosphäre aus direkter Sonnenstrahlung und diffusem Himmelslicht zusammen. Wird sie für eine horizontale Empfängerfläche betrachtet, so wird sie auch als Globalstrahlung bezeichnet. Sie kann unter Verwendung eines digitalen Geländemodells modelliert werden.
• An der Erdoberfläche wird diese solare Strahlung unterschiedlich reflektiert (kurzwellige Reflexion, R). Das Verhältnis von reflektierter Strahlung zu kurzwelliger Einstrahlung bezeichnet man als Albedo (a). Sie ist eine meteorologische Größe, die sich je nach Landnutzungsklasse meist nur jahreszeitlich ändert. Die Kenntnis der Albedo ermöglicht die Berechnung der kurzwelligen Nettostrahlung. Die Albedo läßt sich formell schreiben :

a = R / E

Für die Berechnung der Albedo aus LANDSAT-TM-Daten sind jedoch einige Vorverarbeitungsschritte bzgl. der Satellitendaten nötig, da:

• in erster Näherung die Albedo einer Landnutzungsklasse unabhängig von der zugestrahlten Strahlung gleiche Werte annimmt.
• Durch das Relief werden die verschiedenen Hangbereiche jedoch unterschiedlich bestrahlt. So werden bei gleicher Landnutzung die LANDSAT-TM-Rohdaten je nach orographischer Stellung des Pixels unterschiedlich reflektieren,
• Der für die Bestimmung der Albedo relevante Wellenlängenbereich wird von 6 verschiedenen Spektralkanälen des LANDSAT-TM gemessen.

Der für die kurzwellige Reflexion bedeutende Teil der solaren Strahlung wird bereits weitestgehend von den LANDSAT-TM-Kanälen 1-4 abgedeckt.

In einem ersten Schritt wurden die Kanäle des LANDSAT-TM einstrahlungskorrigiert, d.h. die aus der unterschiedlichen Reliefsituation resultierenden Beschattungs- bzw. Überstrahlungseffekte wurden minimiert (Parlow 1991, 1996). Als Ergebnis dieser Korrektur zeichnen sich Flächen gleicher Landnutzung unabhängig von ihrer Stellung im Relief durch gleiche Reflexionsintensitäten in den LANDSAT-Kanälen aus.

In einem weiteren Vorverarbeitungsschritt wurde aus den LANDSAT-TM-Kanälen 1-4 durch arithmetische Verknüpfung der Datenebenen ein neues Bild erstellt, das einem synthetischen, panchromatischen Kanal entspricht und fast das gesamte Spektrum zwischen 0.45 und 0.9 m abdeckt.. Hierbei wurde ein Normierungsverfahren gewählt, bei dem einem digitalen Zahlenwert (Grauwert) in allen Kanälen die gleiche Strahlungsflußdichte entspricht und somit die unterschiedliche Sensorempfindlichkeit der Kanäle 1-4 berücksichtigt wird (Czeplak et al. 1995).

Diese künstliche Datenebene gibt die Intensität der kurzwelligen Reflexion über das Spektrum des sichtbaren Lichtes und des wichtigen Teils des solaren Infrarot ohne reliefabhängige Einflüsse wieder. Da im Rahmen von ERSCliP eine Landnutzungsklassifikation bearbeitet worden ist, war für jeden Gitterpunkt die zugehörige Landnutzungsklasse bekannt, so daß für zahlreiche Klassen, die nur eine kleine Schwankungsbreite der Albedo aufweisen, aus der Literatur hinreichend genaue Werte zugeordnet werden konnten. Diese Zuordnung wurde über ein Korrelationsverfahren (Abbildung) durchgeführt, das von einem linearen Zusammenhang zwischen digitalem Zahlenwert im synthetischen Datensatz und der Albedo ausgeht.

Abbildung : Regression zwischen Albedo und synthetischem LANDSAT-Kanal.

Die Regressionsanalyse ergab folgende Zuordnungsfunktion zwischen dem Digitalwert (DG) im synthetischen Bild und der dazugehörenden Albedo:

a = 0.095·DG - 3.636

bei einem R2 von 0.9558. Das Ergebnis zeigt die folgende Abbildung.

Abbildung : Flächendeckende Verteilung der aus Satellitendaten abgeleiteten Albedo im Untersuchungsgebiet Basel

Es ist gut zu erkennen, daß die Albedo durch die Landnutzung eine Variation von ca. 10 % erfährt. Bei einer sommerlichen mittäglichen Einstrahlung von 500 - 700 W/m2 bedeutet dies eine räumliche Variation der kurzwelligen Nettostrahlung von 50 - 70 W/m2. Mit dieser aus den LANDSAT-TM-Satellitendaten abgeleiteten Albedo könnte durch gitterpunktweise Multiplikation mit der modellierten solaren Einstrahlung die kurzwellige Reflexion berechnet werden. Hierbei wäre die Beeinflussung durch die Orographie ebenso berücksichtigt wie durch die Landnutzung. Die statistische Analyse der Albedo ergab folgende Abhängigkeit von der Landnutzung (Abbildung). Zur Bildung größerer Cluster sind ähnliche Landnutzungsklassen für diese Analyse zusammengefaßt worden.

Abbildung : Landnutzungsabgängigkeit der Albedo aus Satellitendaten abgeleitet (Mittelwert ± Standardabweichung )

Es sei nochmals betont, daß eine wichtige Grundlage für das methodische Vorgehen die im ERSCliP erarbeitete Landnutzungsklassifikation war.

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