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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-40075
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2009/4007/


Statistical Analysis of Global Ocean Wave and Wind Parameters Retrieved with Empirical SAR Algorithms

STATISTISCHE ANALYSE DER MIT EMPIRISCHEN SAR-ALGORITHMEN ABGELEITETEN WELLENPARAMETER UND DES WINDES ÜBER DEM GLOBALEN OZEAN

Song, Guiting

Originalveröffentlichung: (2008) G. Song, S. Lehner, J. Schulz-Stellenfleth , H. Grassl, Statistical analysis of ocean wave and wind parameters retrieved with an empirical SAR algorithm, ENVISAT Symposium, April, 2007, Switzerland.
pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Satellitenfernerkundung , Statistische Analyse
Freie Schlagwörter (Deutsch): SAR , Wellenhöhe , Windgeschwindigkeit
Freie Schlagwörter (Englisch): SAR , Significant Wave Height , Wind Speed
Basisklassifikation: 38.09 , 38.80 , 38.03
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Graßl, Hartmut (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.01.2009
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 12.02.2009
Kurzfassung auf Deutsch: Es wird eine systematische Validierung von signifikanter Wellenhöhe (Hs), Windgeschwindigkeit (U10) und mittlerer Wellenperiode (Tm) für die mit dem empirischen Algorithmus CWAVE ausgewerteten SAR-Bilder des Satelliten ERS-2 im Wellenmodus durch Vergleich mit in-situ-Daten, anderen Satellitendaten, und Reanalysedaten durchgeführt.

Zunächst werden Hs und U10 aus den SAR-Bildern mit in-situ Daten von NOAA-Bojen und dem Forschungsschiff Polarstern validiert. Der mittlere quadratische Fehler für alle räumlich und zeitlich annähernd zusammenfallenden Messwerte von Hs und U10 erreichen 0,61 m bzw. 2,40 m/s für die Bojenmessungen, während sie auf 1,35 m bzw 3,79 m/s für die Polarsterndaten anwachsen. Die Augenbeobachtungen von Polarstern sind weniger genau als die Bojendaten und aus Gründen der Schiffsicherheit beobachtet Polarstern selten in starken Stürmen.

Hs wird auch mit Daten des ERS-2 Altimeters und U10 mit denen des ERS-2 Scatterometers und des HOAPS Datensatzes aus Hamburg bewertet. Der mittlere quadratische Fehler für Hs schrumpft dabei aud 0,56 m, der für U10 auf 1,77 m/s für die Scatterometerdaten aber bleibt mit 2,78 m/s hoch für HOAPS. Die verbesserte Übereinstimmung mit den Scatterometerdaten ist auch der Gleichzeitigkeit der Messungen geschuldet.

Ein umfassender Vergleich zwischen Hs, U10 und Tm aus CWAVE und der ERA-40 Reanalyse für die Periode vom 1. September 1998 bis 30. November 2000 für den gesamten Ozean liefert 0,50 m für Hs bzw.2,21 m/s für U10 und 2,45 s für Tm. Die Häufigkeitsverteilungen aller dieser Parameter zeigen eine gute Übereinstimmung für schwache und mittlere Windsee, aber eine Unterschätzung durch CWAVE bei stürmischer See.

Auch eine neue Klassifizierung der Inhomogenität der SAR-Bilder zur besseren Auswahl homogener Szenen ist eingeführt worden. Die neue Klassifizierung entdeckt die in etwa 1 Million SAR-Szenen steckenden inhomogenen eher.
Kurzfassung auf Englisch: A systematic validation and comparison of met-ocean parameters like significant wave height (Hs), wind speed (U10) and mean wave period (Tm) obtained from ERS-2 wave mode imagettes using a new empirical algorithm (CWAVE), in situ and satellite observations, reanalysis and model results is presented for the global ocean.

The Hs and U10 values retrieved from SAR imagettes are validated by in situ observations from both the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) buoys and the Polarstern research vessel. The root mean square errors (RMSE) for all collocated CWAVE and NOAA buoy Hs and U10 are 0.61 m and 2.40 m/s, respectively, while they increase to 1.35 m and 3.19 m/s for validation with Polarstern data. The Hs observations from Polarstern, subjective visual inspections by trained observers, are less accurate than NOAA buoy values. Furthermore, the Polarstern vessel seldom observed during severe storms due to reasons of ship safety.

The CWAVE Hs is also assessed by comparison with satellite observations from the ERS-2 altimeter and for U10 from both the Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite (HOAPS) and Scatterometer data sets. The RMSE for all collocated CWAVE and altimeter Hs values is 0.56 m, it is 1.77 m/s for U10 from the Scatterometer collocated pairs but rises to 2.87 m/s for HOAPS. CWAVE results retrieved from SAR imagettes show better agreement with Hs from the altimeter and U10 from the Scatterometer than for U10 from HOAPS because SAR, altimeter and Scatterometer operate on the same ERS-2 satellite leading to less time and also space differences for collocated pairs.

A comprehensive comparison between CWAVE Hs, U10, Tm and ERA 40 reanalysis results was performed for the period September 1, 1998 to November 30, 2000 for the global ocean. The RMSE values between collocated pairs are 0.5 m for Hs, 2.21 m/s for U10 and 2.45 s for Tm. The frequency distribution of met-ocean parameters from CWAVE and ERA 40 show an overall agreement for low and medium sea state, however, an underestimation by CWAVE for high sea state.

A new classification of inhomogeneity of SAR imagettes was investigated to better select homogeneous ones and thereby improve the performance of CWAVE. The new classification parameter was applied to about 1 million SAR wave mode imagettes from nearly two years and compared with the parameter characterizing inhomogeneity of the earlier CWAVE algorithm. The new classification parameter stricter and better estimates inhomogeneous imagettes.

Finally, the CWAVE met-ocean parameter results were applied to retrieve a satellite-based wind wave growth relation, to detect a storm missed by ERA 40 and to investigate a Polar Low. The new wind wave growth relation is compared to the famous Toba 3/2 power law and other former studies and shows good agreement with Toba’s law. The study also indicates that a CWAVE modification using more validation data than earlier would be appropriate.

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