Die Dicke von dünnem Meereis bestimmt aus dem Radarrückstreuquerschnitt

Abstract

Es wird ein Ansatz zur Eisdickenbestimmung von dünnem Meereis (Eisdicke < 0, 3m) entwickelt, der erstmalig sowohl die Verwendung von NRCS einer Frequenz als auch die Verwendung von Kombinationen von normalisierten Radarrückstreuquerschnitts (NRCS) verschiedener Frequenzen zulässt. Mit diesem Ansatz wird der Einfluss der verschiedenen Frequenzen wie auch der verschiedenen Frequenzkombinationen sowohl auf die Eisdickenbestimmung von dünnem Meereis wie auf die für die Eisdickenbestimmung notwendige Meereisklassifizierung untersucht. Dazu sind in der Arktis während der Expedition ARKXXII/2 des Forschungsschiffs Polarstern im August/September 2007 helikoptergestützte NRCS-Messungen des Meereises im S-, C-, X- und Ku-Band mit dem Multi³Scat der Universität Hamburg durchgeführt worden.

Mit einer Bayesian-Maximum-Likelihood-Klassifizierung und der Kombination der NRCS der Gleichpolarisationen im C-, X- und Ku-Band ist es möglich in den Multi³Scat-Daten vier Oberflächentypen zu unterscheiden: Nilas, graues Eis, altes Eis und offenes Wasser. Die Klassifizierung wird insgesamt für 15 verschiedene Frequenzkombinationen untersucht. Der geringste Unterschied relativ zur CXKu-Referenzklassifizierung ist mit der Kombination von C- und Ku-Band zu finden (7% Unterschied). Die Kombination von C- und X-Band bzw. X- und Ku-Band führt zu einem Unterschied von jeweils etwa 13% , der nur wenig schlechter als die Kombination aller vier Frequenzen ist (10% Unterschied).

Die Eisdickenbestimmung erfolgt mit einem selbst entwickelten Eisdickenalgorithmus auf Basis eines Rückstreumodells 1. Ordnung, welches aufgrund der gemachten Näherungen bis zu einer Eisdicke von etwa 0,3m gültig ist. Die systematischen Abweichungen der ermittelten Eisdicken liegen bei O(0,07m) . Die statistischen (zufälligen) Abweichungen liegen unabhängig von der Eisdicke bei O(0,04m). Die Kombination von NRCS mehrerer Frequenzen reduziert die systematischen Abweichungen um O(0,04m) und die statistische Abweichungen um O(0,02m).

Mit Frequenzkombinationen, die das Ku-Band beinhalten, ergeben sich für das als Nilas klassifizierte Meereis während der ARKXXII/2-Expedition realistische Eisdicken. Frequenzkombinationen ohne das Ku-Band weisen dagegen zu große Eisdicken auf. Für das als graues Eis klassifizierte Meereis ergeben sich insgesamt keine realistische Eisdicken.

Die Anwendung der Klassifizierungsergebnisse der Multi³Scat-Messungen auf ein quasisimultanes Synthetic-Aperture-Radar(SAR)-Bildpaar im C- und X-Band für den Bereich der Region in der Nähe der Neumayer-Station (Antarktis) und auf ein quasisimultanes SAR-Bildtripel für den Bereich der Laptev-See-Polynja (Arktis) unter spätwinterlichen Bedingungen ist aufgrund der zu unterschiedlichen Eisbedingungen zum größten Teil fehlgeschlagen. Die ermittelten Eisdicken für das als Nilas klassifizierte Meereis in der Antarktis und für die offensichtlichen Bereiche mit dünnem Eis in der Laptev-See-Polynja liegen in dem für dünnes Eis zu erwartenden Eisdickenbereich.