Radarhydrographie

Projekte

Die Abteilung Radarhydrograhie ist an mehreren nationalen und internationalen Projekten beteiligt. Die Projekte beziehen sich sowohl auf die Entwicklung als auch auf die Anwendung von Methoden zur Radar-Fernerkundung mit dem Ziel, ein besseres Verständnis von oberflächennahen Prozessen zu erhalten.

AirSeaPix

Airseapix

Die für das Experiment geplante Schnittstelle zwischen Ozean und Atmosphäre PIV (Particle Image Velocimetry) sowie Laborergebnisse von Buckley und Veron, 2016 (oben rechts).

Der Austausch von Impuls, Energie, Wärme und Masse zwischen Ozean und Atmosphäre sind entscheidende Randbedingungen für Wetter-, Klima- und ozeanische Veränderungen. Dieser Austausch wird durch die komplexe Dynamik an der Meeresoberfläche und insbesondere durch die Wechselwirkungen zwischen Wind und Oberflächenwellen beeinflusst. Um die komplexen Rückkopplungsmechanismen zwischen Wellen und der Luftströmungsdynamik zu verstehen, entwickeln wir neuartige Experimentiertechniken, einschließlich Ozean-Atmosphäre-Grenzflächen PIV (Particle Image Velocimetry), um turbulente Luftbewegungen über Wellen zu visualisieren, quantifizieren und verstehen. Wir werden die Beobachtungen sowie bereits existierende, kontrollierte Labormessungen zur Parametrisierung von Austauschprozessen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre und zur Validierung neuartiger gekoppelter numerischer Wind-Wellenmodelle verwenden.

Buckley and Veron, 2016

COSYNA - Radarsysteme in der Deutschen Bucht

Hf Ship Tracks Resize

Karte der Schifffahrts-Routen, erarbeitet aus den HF-Radar-Daten der Deutschen Bucht.

Im Rahmen des COSYNA-Initiative betreibt die Abteilung Radarhydrographie drei hochfrequente (HF) Radarsysteme an der deutschen Küste (Wangerooge, Buesum und Sylt). Die Radare werden kontinuierlich betrieben und liefern alle 20 Minuten ein Strömungsfeld der deutschen Bucht. Darüber hinaus werden die Daten verwendet, um Methoden für die Schiffserkennung zu entwickeln. So können Karten von Schiffsrouten erstellt werden, die alle 33 Sekunden aktualisiert werden. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für maritime Forschung und Experimentieren (CMRE), La Spezia, Italien durchgeführt.

Marineradarbunkerhilsylt Horstmann

Bathymetrie vor Bunkerhil, Sylt, die mithilfe eines Marine Radars erstellt wurde.

Darüber hinaus betreibt die Abteilung zwei ihrer zusammenhängenden Marine-Radarsysteme auf der Insel Sylt und auf der Forschungsplattform Fino-3 in der deutschen Bucht. Mit dem Radar auf Sylt wird die Leistungsfähigkeit bei der Überwachung der Küstendynamik überprüft. An der Station Fino-3-Radar dagegen wird anhand der Anwendung ROWMS die Zuverlässigkeit der Strömungs- und Wellenbestimmung dauergetestet.

JericoNEXT - Verbesserung der HF-Radarsysteme

Jericonext Horstmann

Ergebnisse aus dem HF-Radar-Netzwerk in der Deutschen Bucht.

Innerhalb der Arbeitspakete zum Thema hochfrequente Radarsysteme (HF-Radare) von JericoNEXT gibt es folgende Hauptziele:

  • Verbesserung der Algorithmen von HF-Radar-Messungen der Strömung und Wellen in Bezug auf starke räumliche und zeitliche Schwankungen.
  • Entwicklung einer verbesserten Qualitätskontrolle, die zu Karten mit zusätzlichen Fehlerkennzeichnungen hinsichtlich der Genauigkeit der Oberflächenströme führt.

JericoNEXT wird von der Europäischen Kommission im Rahmen von Horizon 2020 gefördert. Weitere Informationen finden Sie unter JericoNEXT

PACES II

Ein Ziel im Rahmen des Projekts PACES II ist die Untersuchung des Einflusses von Windparks auf die Dynamik des Ozeans. Dafür haben wir Messverfahren entwickelt, um den Einfluss von Windfeldern auf die Meeresoberfläche unter Verwendung von Radarmessungen abzuschätzen. Hierzu wurden während einer Forschungsfahrt mit dem Schiff Heincke (Fahrt 445) durch mehrere Windparks haben wir marine Radardaten gesammelt. Zusätzlich hat unser stationäres Marine-Radar auf der Messplattform Fino-3 in der Nähe des Windparks DanTysk gemessen.

Radarsysteme in der Ozeanographie erfassen die kleinskalige Rauheit der Meeresoberfläche und stellen sie mit einem räumlichen und zeitlichen Bezug dar. Wir haben Methoden entwickelt, um diese Oberflächenrauigkeiten in Windschubspannungen und unter den meisten Bedingungen auch in Oberflächenwindfelder umzuwandeln. Aufgrund der Änderung des lokalen Windfeldes durch den Windpark können diese Messungen verwendet werden, um eine dadurch herbeigeführte Änderung der Ozeandynamik zu erkennen.


Zeitreihen des Windfeldes auf der windabgewandten Seite des Windparks DanTysk ermittelt mit einem marinen Radar von der Forschungsplattform Fino-3 aus. Der Einfluss der Turbinen auf das lokale Windfeld lässt sich gut an den Turbulenzschleppen der Turbinen beobachten.

Uhrwerk Ozean

Im Rahmen des Projektes Uhrwerk Ozean arbeitet die Abteilung Radarhydrographie an der Beobachtung der räumlichen und zeitlichen Dynamik submesoskaliger Wirbel. Daher werden verschiedene Instrumente wie kohärente Radare, Acoustic Doppler Current Profiler (ADCPs), Oberflächen-Drifter und Spezialkameras verwendet. Alle diese Instrumente werden genutzt, um die oberflächennahen Strömungen in Raum und Zeit zu messen. Im Falle der Radar- und Videobildsequenzen (Infrarot- und Hyperspektralkameras) werden die neuen Methoden der Abteilung angewandt, validiert und verbessert.

Die mit verschiedensten Geräten und Instrumenten gesammelten Daten während der Expedition wurden im Nachhinein georeferenziert. Das bedeutet, dass jedem Messwert ein Ort und ein Zeitpunkt zugeordnet wurde. Die Karten wurden im Anschluss übereinandergelegt.

In diesem Video sind Daten der verschiedenen Drifter (Kreise), des ADCP (Vektorpfeile), der Infrarotkamera (farbiger Hintergrund) und des Radars (graue Stufen) zu sehen. Das Radar misst die Rauigkeit der Meeresoberfläche - je dunkler die Stelle, desto glatter ist die Wasseroberfläche. Dort wo die Kanten zu sehen sind, lassen sich auch die Strömungskanten identifizieren. Aufnahmen der Infrarotkameras zeigen die Oberflächentemperatur mit einer Genauigkeit von 0,01 Grad Celsius (in dieser Abbildung zeigen die roten Flächen warmes Wasser an, blau steht für kaltes Wasser). Was hier gut zu sehen ist, ist die Form des Wirbels, dessen Kern im Durchmesser etwa einen Kilometer groß ist. Die Daten und Bilder der einzelnen Messinstrumente passen gut übereinander und verdeutlichen die Strukturen des Wirbels.

Die Bilder sind hier noch nicht kalibriert und nicht in voller Auflösung dargestellt - es handelt sich um vorläufige Ergebnisse. Aufgenommen wurden die Daten am 22.06.2016 zwischen 09:42 und 09:55 Uhr.

Website Uhrwerk Ozean

WaveDiss - Energiesissipation von Oberflächenwellen

Wavedissillustration

Wellengetriebene Prozesse in der Küstenzone.

Der küstennahe Wellenbereich wird stark von der Beschaffenheit des lokalen Meeresbodens beeinflusst. Wellen, die sich über eine komplexe Bathymetrie bewegen, unterliegen einer starken, nichtlinearen Änderung ihrer Form und Ausbreitungsdynamik, bis die Wassermasse instabil wird und die Wellen brechen.

Während des Wellenbrechens wird die ankommende Wellenenergie auf Strömung, Turbulenzen und Wärme übertragen. Diese welleninduzierten Parameter stellen die Hauptursache für die Mobilisierung und den Transport lokaler Sedimente dar und sind daher von großer Bedeutung für das Verständnis langfristiger Veränderungen unserer Küsten. Trotz ihrer hohen Relevanz sind viele Prozesse in der küstennahen Hydro- und Morphodynamik noch wenig verstanden.

Innerhalb von "WaveDiss" arbeiten wir an Methoden, um eine fortlaufende Kartierung der küstennahen Bathymetrie, dem Wellenfeld, der Intensität der Wellenbrechung und den Strömungen zu erhalten.

Ein konsistenter, langfristiger Datensatz dieser Größen wird die Möglichkeit eröffnen, die küstennahe Hydrodynamik unter verschiedenen Umweltbedingungen (zum Beispiel unterschiedliche Sturmcharakteristika) zu verstehen. Dadurch können auch Schlüsse gezogen werden, wie die Küstenbereiche auf eine Veränderung der Klimabedingungen reagieren.

Wind vor Dan Tysk (WvDT)

In diesen Vorhaben beabsichtigt die Abteilung das lokale Windfeld an der Meeresoberfläche in Raum und Zeit zu quantifizieren und für einen kurzen Zeitraum (30-60 Sekunden) zu prognostizieren. Hierzu wird das schon zur Messung von Seegang und Strömung eingesetzte kohärentisierte Marine Radar genutzt. Die Hauptzielsetzung besteht darin, den Wind in Richtung und Geschwindigkeit in einem Radius von 2-3 Kilometern mit einer räumlichen Auflösung von ca. 50 Metern kontinuierlich zu messen. Außerdem sollen mit den Radarbildsequenzen und den resultierenden Windfeldern die Windböen identifiziert sowie räumlich und zeitlich vermessen werden. Diese Parameter werden dann mit Hilfe eines einfachen Modells zur Kurzeitvorhersage der Windgeschwindigkeit genutzt und ermöglichen die prädiktive Regelung einer Windkraftanlage zur Vermeidung von Leistungsüber-schwingern sowie der Verringerung des Verschleißes.


Zeitserienmessungen von Windfeldern, gemessen mit dem Radar auf der Forschungsplattform Fino-3 in der Deutschen Bucht. Das Video zeigt eine Windböe, die sich dem Windpark Ddan Tysk nähert.

Seegang im Dan Tysk (SiDT)

Fino-3 Resize

Das marine X-Band-Radar auf der Forschungsplattform Fino-3.

Im Rahmen des Fino-3-Projekts untersuchte die Abteilung Radarhydrographie den Einfluss der Offshore-Windparks auf das Klima der Oberflächenwellen. Deshalb nutzten sie während der Forschungsfahrt HEINCKE 445 im Mai 2015 das marine X-Band Radarsystem des HZG, verschiedene vor Ort installierte Geräte auf der Offshore-Plattform Fino-3 sowie temporär auf dem Schiff festgemachte Ausrüstungen. Das Fino-3-Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Lindesnes - Kohärente marine Radarsysteme zur Erfassung des Zustands der See

Lindesnes Lh Resize

Das kohärente X-Band-Marine-Radarsystem des HZG ist seit dem 17. Januar 2015 am Leuchtturm von Lindesnes (Norwegen) in Betrieb.

In diesem Projekt testet und verbessert die Abteilung Radarhydrographie ihre Algorithmen für die Erfassung der Wellen mit kohärenten marinen Radarsystemen. Deshalb wird seit Januar 2015 am Leuchtturm von Lindesnes, Norwegen, ein kohärentes marines Radar betrieben. Die Daten werden zur Messung der Spektralwellenparameter (zum Beispiel Spitzenperiode, Spitzenwellenrichtung und signifikante Wellenhöhe) sowie einzelner Wellenparameter wie zum Beispiel der Wellenhöhe) verwendet. Diese Parameter werden mit den Messungen von zwei am Boden montierten Acoustic Doppler Current Profiler (ADCPs) verglichen. Dieses Projekt wird vom norwegischen Wissenschaftsrat in einer Zusammenarbeit zwischen NORTEK und der Universität Oslo, Norwegen, finanziert.