Ament, Ariane: Quantifizierung von Aggregationseffekten in Bodenfeuchte-Retrievalalgorithmen. - Bonn, 2008. - Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5N-15025
@phdthesis{handle:20.500.11811/3663,
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In dieser Studie wird eine Modellkette präsentiert und angewendet, die aus dem hydrologischen Modell TOPLATS, dem Strahlungstransportmodell Streamer und dem Mikrowellen-Landoberflächenemissionsmodell LSMEM besteht. Mit der Modellkette wird ein konsistenter Datensatz von Bodenfeuchten und kollokierten Strahlungstemperaturen berechnet und zur Quantifizierung von Aggregationseffekten bei Bodenfeuchte-Retrievalalgorithmen eingesetzt. Bei Aggregationseffekten handelt es sich um systematische Fehler, die bei nichtlinearen Prozessen auftreten, wenn mit identischen Ableitungsvorschriften auf unterschiedlichen räumlichen Skalen gearbeitet wird. Dies ist beispielsweise bei der Nutzung von Satellitenmessungen unterschiedlicher Frequenzen der Fall, weil die Größen der Satellitenfootprints dabei deutlich voneinander abweichen.
Die Modellkette wird zunächst auf den Einsatz in großen Gebieten vorbereitet. Für das Mikrowellenmodell wird eine Kalibration vorgenommen, bei der zwei Parameter, die durch Messungen nicht festgelegt werden können, für den Frequenzbereich von 1 bis 20 GHz abgeleitet werden. Für diese Kalibration werden Messdaten des Southern Great Plains Experiments 1999 genutzt.
Zudem wird eine linearisierte Strahlungstransportgleichung (LSTG) für den Infrarot-Strahlungstransport entwickelt, so dass die rechenzeitintensiven Streamer-Modellierungen nur noch an wenigen Stützstellen nötig sind. Die LSTG ist analytisch lösbar und invertierbar, was für die Ableitung von Oberflächentemperaturen aus Infrarot-Satellitenmessungen des Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) genutzt wird.
Die Validation der Modellkette wird anhand eines Fallbeispiels mit der kleinsten zur Verfügung stehenden Mikrowellen-Frequenz eines satellitengetragenen Radiometers während SGP99 durchgeführt (10.65 GHz). Insbesondere für horizontal polarisierte Strahlung erweist sich die Modellkette als gut geeignet zur Reproduktion der am Satelliten gemessenen Strahlungstemperaturen.
Zur Quantifizierung von Aggregationseffekten wird der mit der Modellkette erstellte Datensatz mit drei verschiedenen Methoden analysiert. Bei der ersten Methode wird eine für hochaufgelöste Daten abgeleitete Regressionsgleichung auf gemittelte Daten angewandt, und die resultierenden Fehler werden quantifiziert. Bei der zweiten Methode wird auf jeder Mittelungsskala eine separate Gleichung abgeleitet, und die unterschiedlichen Formen dieser Gleichungen werden analysiert. Im dritten Fall wird untersucht, ob sich Unterschiede ergeben, wenn die Ergebnisse von hochaufgelösten Strahlungstransportmodellierungen gemittelt werden im Vergleich zu Vorwärtmodellierungen mit gemittelten Eingangsdaten.
Es ergeben sich bei allen drei Methoden bezogen auf die exemplarisch genutzte Frequenz 10.65 GHz ähnlich ausgeprägte Aggregationseffekte, die sich bei dem gewählten Fallbeispiel aus der Messkampagne SGP99 auf etwa 1.5 vol.% Bodenfeuchtefehler bzw. auf 0.5 K Strahlungstemperatur-Abweichung belaufen.

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