Scatterometry

Abstract

Een veelheid aan meteorologische metingen is dagelijks beschikbaar. De meeste van deze waarnemingen bevinden zich echter boven land, en met name windwaarnemingen boven de (Noord Atlantische) oceaan zijn schaars. Bij een westelijke luchtstroming is dit een duidelijke beperking voor de weers- en golfverwachtingen ten behoeve van Nederland. Juist dan is het gevaar voor bijvoorbeeld storm of overstroming het grootst. Ook in het aardse klimaatsysteem speelt de wind aan het oppervlak een grote rol en is de belangrijkste factor voor de aandrijving van de oceaancirculatie. De oceaancirculatie op zijn beurt is cruciaal voor de verschijnselen die samenhangen met bijvoorbeeld El Niño. Dit proefschift gaat over het scatterometer instrument dat vanuit de ruimte, zelfs onder een wolkendek, nauwkeurige en betrouwbare informatie geeft over de wind aan het oceaanoppervlak met een hoge mate van ruimtelijke consistentie. Tijdens de tweede wereldoorlog werden radars aan boord van schepen veelvuldig gebruikt voor de opsporing van vijandige vaartuigen. Hierbij werd vastgesteld dat de detectie slechter werd naarmate de wind aan het zeeoppervlak groter was. Proefondervindelijk was hiermee het principe van een wind scatterometer aangetoond. Al snel ontwikkelde zich dan ook de idee de wind aan het zeeoppervlak te meten met behulp van radar. Vanuit een vliegtuig of een satelliet word dan een microgolfbundel onder een schuine hoek naar het zeeoppervlak gestuurd. De microgolfstraling, met gewoonlijk een golflengte van enkele centimeters, wordt verstrooid aan het ruwe oppervlak, en een klein gedeelte van de uitgezonden puls keert terug naar het detectorgedeelte van de scatterometer. Het fysische fenomeen van belang voor de werking van de scatterometer is de aanwezigheid van zogeheten capillaire gavitatiegolven op het zeeoppervlak. Deze golven hebben een golflengte van enkele centimeters en reageren vrijwel instantaan op de sterkte van de wind. De verstrooiing van microgolven is op zijn beurt weer sterk afhankelijk van de amplitude van de capillaire golven. Bovendien blijken de capillaire golfjes over het algemeen gericht in lijn met de windrichting. Aldus bestaat er een verband tussen de hoeveelheid teruggestrooide energie en de windsterkte en -richting op enige hoogte. Een scatterometer instrument wordt zo ontworpen dat uit diverse metingen van het teruggestrooide vermogen, windsterkte en -richting afgeleid kunnen worden. Deze metingen kunnen dan eenvoudig vergeleken worden met bestaande windgegevens van boeien, schepen en weermodellen ter calibratie en validatie.?SAMENVATTING viii Overzicht In de loop der jaren zijn scatterometer instrumenten aan boord van verscheidene satellieten gelanceerd. De scatterometers op de ERS-1 en ERS-2 (“European Remote-sensing Satellite”) hebben de langste staat van dienst en zijn sinds 1991 operationeel. Deze scatterometers (die identiek zijn) hebben ieder drie antennes, waarmee het oceaanoppervlak in drie verschillende richtingen bemeten wordt. Een punt op het aardoppervlak wordt eerst door de naar voren gerichte bundel belicht, dan door de naar opzij gerichte bundel, en als laatste door de naar achteren gerichte bundel. De drie metingen, verder kortweg aangeduid als trits, kunnen tegen elkaar worden uitgezet, hetgeen resulteert in een ruimtelijk (3D) plaatje. Door uitgekiende doorsneden te maken van deze ruimte kan de samenhang van de drie metingen kwalitatief worden bestudeerd. De drie metingen blijken dan inderdaad een sterke samenhang te vertonen die verklaard kan worden uit twee geofysische parameters. De drie metingen liggen namelijk in het algemeen dichtbij een hoornvormig (2D) oppervlak. De lengterichting van de hoorn blijkt voornamelijk te corresponderen met een variërende windsterkte (of ruwheid van de zee), en de kortste omtrek van de hoorn met een variërende windrichting (ofwel oriëntatie van de capillaire golfjes). De karakterisatie en modellering van dit oppervlak heeft geleid tot een aanzienlijke verbetering in de interpretatie van de scatterometer, zoals beschreven is in dit proefschrift. Hierboven is een uiterst simplistisch beeld gegeven van de fysica die van belang is bij de interpretatie van de scatterometer. Het eerste hoofdstuk van dit proefschrift beschrijft in meer detail de fysische modellering van belang bij de interpretatie van de scatterometer metingen. Ten eerste, de topografie van het zeeoppervlak is uitermate gecompliceerd en niet nauwkeurig te beschrijven met eenvoudige mathematische vergelijkingen. De capillaire golven hebben een andere fasesnelheid dan de langere golven en beide hebben hiermee een ingewikkelde dynamische interactie. Bij hogere windsnelheid breken de golven en ontstaan er schuimkoppen, hetgeen de fysische beschrijving verder compliceert. Ten tweede, de interactie van een schuin invallende microgolfbundel met dit gecompliceerde oppervlak is evenmin nauwkeurig te beschrijven. Zowel verstrooiing als reflectie kunnen een rol spelen. Ten derde, over de relatie tussen de amplitude van de capillaire golven en de wind op enige hoogte, laten we veronderstellen 10 m, is in de literatuur niet de overeenstemming tot in het gewenste detail. Bij lage windsnelheid zouden de oppervlaktespanning of variaties in de wind variabiliteit een rol kunnen spelen. Gezien de fysische complexiteit, is het niet verwonderlijk dat voor de interpretatie van scatterometer metingen statistische methoden hun opgang gevonden hebben. Dit proefschrift gaat met name in op deze methoden, en geeft, aan de hand van vijf wetenschappelijke publicaties, een tamelijk volledig beeld van de “state-of-the-art”, zoals die bereikt is met de?SAMENVATTING ix ERS scatterometers (ERS-1 vanaf 17 juli 1991 en later ERS-2 vanaf 22 november 1995). Het derde hoofdstuk behandelt de visualisatie van de gemeten tritsen in de 3D meetruimte, de bepaling van de spreiding van de metingen rond het hoornvormige oppervlak, en de schatting van de meest waarschijnlijke “werkelijke” (of ruisvrije) trits bij het hoornvormige oppervlak gegeven de metingen en hun nauwkeurigheid (inversie). De perceptie dat de metingen met grote waarschijnlijkheid dichtbij een hoornvormig oppervlak liggen, vormt essentiële a priori informatie van belang voor de inversie. Een inversieprocedure gestoeld op waarschijnlijkheidstheorie is afgeleid. Verder worden aan de hand van de structuur van het hoornvormige oppervlak indicatoren bepaald, van belang voor de kwaliteitscontrole, instrumentbewaking, en de verdere verwerking van de gegevens. In de appendix wordt een methode besproken die beschrijft hoe, aan de hand van geselecteerde windgegevens en een goed wind-microgolf verband, ofwel transfer functie, de scatterometer verstrooiingsmetingen gecalibreerd kunnen worden boven de oceaan. Het blijkt dat deze calibratie, die per antenne wordt uitgevoerd, uiterst nauwkeurig is, en, wanneer toegepast, in de 3D meetruimte de verdeling van gemeten tritsen gemiddeld dichterbij de door de transfer functie gemodelleerde hoorn brengt. Dit levert een verbetert scatterometer wind product op. De methode was met name van groot belang voor de validatie en calibratie van de ERS-2 scatterometer, voordat de instrumentele calibratie was voltooid. Met behulp van een set windgegevens uit een weermodel en hun geschatte nauwkeurigheden, passend in locatie en tijd bij een set van scatterometer metingen en hun geschatte nauwkeurigheden, kan met quasi-lineaire schattingstheorie (“Maximum Likelihood Estimation”) de meest waarschijnlijke wind-microgolf transfer functie worden afgeleid. De niet-lineariteit en onnauwkeurige formulering van de transfer functie, een niet-uniforme verdeling van invoergegevens, en een inaccurate formulering van de geschatte nauwkeurigheid kunnen hier een goed resultaat in de weg staan. Een nieuwe functie, genoemd CMOD4, wordt afgeleid in hoofdstuk IV. Een eerste eis die gesteld wordt aan een transfer functie, is dat het in de 3D meetruimte nauwkeurig bij de gemeten tritsen past. Wanneer de “fit” optimaal is zal het gecombineerde effect van meetonnauwkeurigheid en inversiefout kleiner zijn dan 0.5 m s -1 in de wind vector. CMOD4 blijkt binnen deze fout bij de metingen te passen. Een tweede eis is, dat voor een onafhankelijke gegevensset, het verschil tussen de geïnverteerde scatterometer wind en de bijpassende wind van bijvoorbeeld een weermodel zo klein mogelijk is. In de praktijk blijkt dat deze tweede eis impliciet volgt uit de eerste, maar ook dat de onnauwkeurigheid van de scatterometer wind met name wordt bepaald door de associatie van een locatie op de hoorn met een wind vector. De onnauwkeurigheid in de scatterometer wind kan dan ook goed beschreven worden in het wind domein.?SAMENVATTING x In hoofdstuk V wordt dit laatste verder uitgewerkt, en wordt gestreefd naar een gedetailleerde wind calibratie met behulp van in situ gegevens. Windgegevens bevatten doorgaans een relatief grote onnauwkeurigheid. Het wordt aangetoond dat ijking of regressie van zulke gegevens niet mogelijk is in een vergelijking van twee meetsystemen, tenzij de nauwkeurigheid van één van de twee meetsystemen bekend is. In de praktijk is dit meestal niet zo. Voor deze gevallen wordt een methode voorgesteld die uitgaat van de simultane vergelijking van drie meetsystemen. In dit geval kan zowel de ijking als een foutenmodel voor de drie meetsystemen worden opgelost. Toepassing van de methode laat zien dat de scatterometer wind afgeleid met behulp van CMOD4 ruwweg 5 % te laag is, en de oppervlaktewind van het gebruikte weermodel ongeveer 5 % te hoog. Het hoornvormige oppervlak blijkt te bestaan uit twee nauw samenvallende laagjes. Wanneer de wind een component heeft in de kijkrichting van de middelste microgolfbundel wordt de ene hoorn beschreven, en wanneer de wind een component heeft tegengesteld hieraan, de andere. Uit een trits metingen (met ruis) kan dus in het algemeen niet een unieke windvector worden bepaald. Twee ongeveer tegengestelde oplossingen resulteren. Deze dubbelzinnigheid in de windrichting kan in de praktijk worden opgelost door die oplossing te kiezen die het dichtst bij een korte termijn weervoorspelling ligt. Daarna kunnen eisen worden gesteld aan de ruimtelijke consistentie van het gevonden windvector veld. Zoals beschreven in hoofdstuk V levert zo’n methode de goede oplossing in meer dan 99 % van de gevallen. Zo kan een in het algemeen kwalitatief goed windproduct worden afgeleid uit de ERS scatterometermetingen. In het tweede gedeelte van hoofdstuk V wordt ingegaan op de assimilatie van scatterometergegevens in weermodellen. Voor variationele gegevensassimilatie wordt een methode voorgesteld, waarbij de dubbelzinnige scatterometerwinden worden geassimileerd, en niet direct de terugstrooiingsmetingen. Dit vanwege het feit dat de onzekerheid in de interpretatie van de scatterometer, het best is uit te drukken als een fout in de wind. De projectie van deze fout op de microgolfmetingen is niet-lineair, en daarmee tamelijk moeilijk te verwerken binnen de context van meteorologische variationele gegevensassimilatie. Assimilatie van de dubbelzinnige wind daarentegen is tamelijk recht toe recht aan. De scatterometermetingen leiden tot een duidelijk betere analyse en korte-termijn voorspelling van het windveld boven zee. De bedekking is echter zodanig dat andere windwaarnemingen nog lang een zeer welkome aanvulling zullen zijn. Nieuwe Amerikaanse scatterometers met een grotere bedekking zijn in ontwikkeling (met name QuikSCAT en SeaWinds). Vanwege hun andere geometrie en golflengte is echter eerst ontwikkelwerk nodig om tot een gedegen interpretatie te komen. De in dit proefschrift beschreven methodologie kan een belangrijke rol spelen in de interpretatie van de gegevens van deze scatterometers. De volgende generatie Europese scatterometers (ASCAT genoemd) heeft een?SAMENVATTING xi grote bedekking en de microgolflengte en meetgeometrie van de ERS scatterometers. Hiermee zijn we op termijn verzekerd van een goed scatterometer wind product.?SAMENVATTING xii