Forschung
Image Waves 01

Wellen am Strand - eine Auswirkung von Luft-Wasser-Interaktion, die jeder kennt. -Bild: HZG-

Impulsübertrag an der Luft-Wasser-Grenzschicht

Die oberflächennahen Prozesse im Ozean müssen gut verstanden werden, um den Impulsaustausch zwischen Atmosphäre und Ozean besser verstehen und abschätzen zu können.
In dieser Hinsicht sind die Rolle der Oberflächenwellen, ihr Einfluss auf die oberflächennahe Luftströmungsdynamik sowie die Wellen-Strömungs-Wechselwirkung von Bedeutung. Vor allem unser physikalisches Verständnis bezüglich ihrer Kopplung und bei höheren Windgeschwindigkeiten ist jedoch unvollständig.
Um ihre Wechselwirkungen besser quantifizieren und verstehen zu können, wurden verschiedene Messtechniken für die hochauflösende Fernerkundung von oberflächennahen Wind, Strömung und Wellenfeldern entwickelt. Die Methoden basieren auf Radaren, Lasern und Videokameras, die Skalen zwischen Millimeter und Hunderten von Kilometern abdecken:

Genaue Messungen von Windfeldern bei hohen Windgeschwindigkeiten sind wichtig, um den Impulsübertrag unter energiereichen Bedingungen abzuschätzen, wenn die in situ Beobachtungen spärlich sind. Eine große räumliche Abdeckung (> 100 km) mit einer hohen Auflösung (bis zu 1 km) der Meeresoberflächenwindfelder kann nur durch satellitengestützte Synthetic Aperture Radare (SAR) erreicht werden.
Diese Messungen waren bisher jedoch auf mäßige Winde beschränkt und führten unter extremen Bedingungen, wie beispielsweise tropischen Zyklonen, zu großen Fehlern.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden neue Algorithmen entwickelt, getestet und validiert. Sie wurden für satellitengestützte SARs verwendet, die im C-Band entweder mit Co-Polarisation oder mit Kreuzpolarisation arbeiteten.
Ein Vergleich mit QuikSCAT-Winden und dem Stepped Frequency Microwave Radiometer (SFMR) während Aufklärungsflügen zeigte, dass SAR-Kreuzpolarisationsdaten mit einem mittleren quadratischen Fehler von 3,8 ms-1 deutlich besser für die SAR-Winderkennung geeignet sind insbesondere bei Windgeschwindigkeiten über 20 ms-1. Dieses Ergebnis führte zur Einbeziehung der Kreuzpolarisation in zukünftige Satelliten-Scatterometer-Missionen.

Weitere Informationen finden Sie auf den Webseiten unserer Abteilung Radarhydrographie.


Horstmann, J., Falchetti, S., Wackerman, C., Maresca, S.,Caruso, M.J.,Graber, H.C.: Tropical Cyclone Winds Retrieved From C-Band Cross-Polarized Synthetic Aperture Radar, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 53, no. 5, c2887-2898, 2015a, doi:10.1109/TGRS.2014.2366433

Horstmann, J., Nieto Borge, J.C., Seemann, J., Carrasco, R., Lund, B., Wind, Wave and Current retrieval utilizing X-Band Marine Radars, Chapter 16 in Coastal Ocean Observing Systems, 281-304, 2015b, doi:10.1016/B978-0-12-802022-7.00016-X

van Zadelhoff, G.-J., Stoffelen, A., Vachon, P. W., Wolfe, J., Horstmann, J., and Belmonte Rivas, M.: Retrieving hurricane wind speeds using cross-polarization C-band measurements, Atmos. Meas. Tech., 7, 437-449, 2014, doi:10.5194/amt-7-437-2014

Image Marine Radar

Marines Radar an Bord des HZG-Forschungsschiffs Ludwig Prandtl -Bild: HZG-

Um die räumliche Variabilität von Oberflächenwellenfeldern zu schätzen oder um Wellen-Strömungs-Wechselwirkungen oder Wellenenergiedissipation zu beobachten, ist es erforderlich, Wellen mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung über größere Flächen zu beobachten.
Zu diesem Zweck wurden vom Bereich Operative Systeme Radarfernerkundungstechniken wie das kohärente Empfangsradar mit einer Reichweite von bis zu 3 km entwickelt. Unter Verwendung der Radar-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen wurde eine belastbare Methode zur Ermittlung signifikanter Wellenhöhen entwickelt und validiert. Es ist nun erstmals möglich, signifikante Wellenhöhen ohne Kalibrierung und mit einer hohen Genauigkeit von 0,21 m aus marinen Radaren zu gewinnen.
Das kohärente Empfangsradarsystem der HZG ist eines der weltweit zuverlässigsten Systeme und wurde deshalb von mehreren Forschungspartnern in zahlreichen Kampagnen in Deutschland, Frankreich, Norwegen, Taiwan und den USA eingesetzt. Es wurde nachgewiesen, dass sie Oberflächenwind, Wellen, Strömungen und Bathymetrie von sich bewegenden Schiffen, festen Plattformen und Küstenstationen messen können. Die Marinen Radarsysteme des HZG können nunmehr eingesetzt werden
(i) als Surface Feature Monitoring System (SuFMoS) zur Echtzeitbeobachtung von Fronten, Binnenwellen, Windböen und Meereis,
(ii) zur Gewinnung von Bathymetrie in seichtem Wasser,
(iii) zum Abrufen von Oberflächenwinden und - böen und
(iv) Strömungsmessungen.
Die laufenden Entwicklungen am HZG konzentrieren sich auf das Erkennen einzelner Wellen.

Weitere Informationen finden Sie auf den Webseiten unserer Abteilung Radarhydrographie.


Carrasco, R., Streßer, M., and Horstmann, J.: A simple method for retrieving significant wave height from Dopplerized X-band radar, Ocean Sci., 13, 95-103, 2017a, doi:10.5194/os-13-95-2017

Carrasco, R., Horstmann, J., Seemann, J.,Significant Wave Height Measured by Coherent X-Band Radar, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 55, no. 9, 5355-5365, 2017b, doi:10.1109/TGRS.2017.2706067

Horstmann, J., Nieto Borge, J.C., Seemann, J., Carrasco, R., Lund, B., Wind, Wave and Current retrieval utilizing X-Band Marine Radars, Chapter 16 in Coastal Ocean Observing Systems, 281-304, 2015b, doi:10.1016/B978-0-12-802022-7.00016-X

Huang, W.,Carrasco, R., Shen, C., Gill, E.W., Horstmann, J., Surface Current Measurements Using X-Band Marine Radar With Vertical Polarization, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 54, no. 5, 2988-2997, 2016. doi:10.1109/TGRS.2015.2509781

Lund, B., Haus, B.K., Horstmann, J., Graber, H.C., Carrasco, R., e, Near-Surface Current Mapping by Shipboard Marine X-nd Radar: A Validation, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, submitted 2017.

Støle-Hentschel, S., Seemann, J., Nieto Borge, J.C., Trulsen, K., Analyzing Coherent Spatio-Temporal Radar Measurements: Transfer Function and Sea Surface Reconstruction, J. Geophys. Res., submitted 2017

Vicen-Bueno, R., Horstmann, J., Terril, E., de Paolo, T., Dannenberg, J., Real-Time Ocean Wind Vector Retrieval from Marine Radar Image Sequences Acquired at Grazing Angle, J. Atmos. Oceanic Technol., 30, 127–139, 2013, doi:10.1175/JTECH-D-12-00027.1

Shen, C, Huang, W., Gill, E.W., Carrasco, R., Horstmann, J., An Algorithm for Surface Current Retrieval from X-band Marine Radar Images, Remote Sens., 7, 7753-7767, 2015 doi:10.3390/rs70607753

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Schema des PIV / LIV -Experiments. -Bild:HZG-

Um die Rolle des Winddrucks für Oberflächenwellen (Impulsfluss) über dem Ozean zu untersuchen, wurde eine Technik entwickelt, um die detaillierte Luftströmung im Zentimetermaßstab in der Nähe der Meeresoberfläche zu messen.
Eine kombinierte Partikelbild-Velocimetrie (PIV) und laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) -Technik wurde an der Universität von Delaware entwickelt und im Labor unter Berücksichtigung von 17 verschiedenen Windwellenbedingungen eingesetzt.
Dimensionale Luftströmungsgeschwindigkeitsfelder wurden so erzeugt, dass sie so niedrig wie 100 µm über der Luft-Wasser-Grenzfläche sind. Die Daten wurden am HZG weiter analysiert, wobei gezeigt wurde, dass das mittlere Geschwindigkeitsprofil dem law of the wall folgt, wenn der Winddruck zu schwach ist, um Oberflächenwellen zu erzeugen. Wenn Wellen vorhanden sind, werden turbulente Strukturen direkt im Luftstrom beobachtet, wodurch Luft mit niedriger horizontaler Geschwindigkeit von der Oberfläche weggeschleudert wird und Fluid mit hoher Geschwindigkeit nach unten geleitet wird. Die Luftströmungstrennung wird oberhalb von jungen Windwellen beobachtet, und die resultierenden Spannweiten-Vortizitätsschichten, die von der Oberfläche abgelöst werden, erzeugen intensive wellenkohärente Turbulenz.
Im Durchschnitt ist der Luftstrom über den jungen Wellen vor den Wellenbergen geschützt.
Die oben genannte PIV-Technik wurde am HZG angepasst, um erste Messungen im offenen Ozean durchzuführen, die im Oktober 2017 erstmals an Bord des Forschungsschiffs RV Flip durchgeführt wurden.

Weitere Informationen finden Sie auf den Webseiten unserer Abteilung Kleinskalige Physik und Turbulenz.

Buckley, M.P. and F. Veron, Structure of the Airflow above Surface Waves. J. Phys. Oceanogr., 46, 1377–1397, 2016, doi:10.1175/JPO-D-15-0135.1

Buckley, M.P. & Veron, Airflow Measurements at a Wavy Air-Water Interface using PIV and LIF , F. Exp Fluids, 58, 161, 2017, doi:10.1007/s00348-017-2439-2

Image Surface Current Field in the River Elbe

Oberflächenströmungsfeld in der Elbe bei Lauenburg, mit einer Quadrocopter-Drohne aufgenommen.-Bild:HZG-

Kleinräumige physikalische Prozesse im Ozean sind oft durch scharfe Fronten mit starker horizontaler Scherung gekennzeichnet.
Um diese Vorgänge in Raum (einige Meter) und Zeit (Minuten) ausreichend zu lösen, wurden die für Bildsequenzen des Marinen Radars entwickelten Techniken an die Erfordernisse von Videosequenzen von Wasseroberflächenwellen angepasst. Videosequenzen wurden im Bereich des sichtbaren Lichts mit einer kleinen, senkrecht nach unten schauenden Videokamera aufgenommen, die an einer handelsüblichen Quadcopter-Drohne angebracht war.
Ein aktiv gesteuerte kardanische Aufhängung stabilisiert die Videokamera. Die Videodaten werden auf Linsenverzerrung korrigiert und mit einem geradlinigen Koordinatensystem auf Wasserniveau geokodiert. Die resultierenden Videodaten ermöglichen die Messung der Wellenrichtung, der Wellenlänge und der Phasengeschwindigkeit.
Diese Eigenschaften ermöglichen Schätzungen der Oberflächenstromvektoren, die sich aus der Differenz der beobachteten Phasengeschwindigkeit und der linearen Dispersionsrelation der Oberflächenschwerewellen ergeben.

Weitere Informationen finden Sie auf den Webseiten unserer Abteilung Radarhydrographie.

Streßer, M., Carrasco, R., Horstmann, J., Video-Based Estimation of Surface Currents Using a Low-Cost Quadcopter, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 14, no. 99, 1-5, 2017, doi:10.1109/LGRS.2017.2749120

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Diagramm, das die Wachstumsrate für die Instabilität der Windwelle für verschiedene Wellenzahlen zeigt (inverse Wellenlänge). Die gestrichelten Linien sind eine Reihe neuer Annäherungswerte, die schnell zur exakten Lösung konvergieren (durchgezogene Linie). -Bild:HZG-

Eine Schlüsselkomponente der Luft-Meer-Impulsübertragung ist das Wachstum von Oberflächen-Gravitationswellen aus dem darüber liegenden Luftstrom. Ein neuer theoretischer Ansatz im Verständnis dieses Prozesses wurde von uns entwickelt und eine neue physikalische Interpretation der Instabilität der Wind-Wellen-Wechselwirkung beschrieben.

Diese Interpretation zerlegt die Instabilität in ihre einfachste Form, die aus einer wechselseitigen Wechselwirkung zwischen der Oberflächenwelle und der kritischen Schicht des Luftstroms besteht. Es verbindet auch die Physik der Instabilität der Windwellen mit denen von geschichteten Scherschichten, wie die bekannte Kelvin-Helmholtz-Instabilität.
Diese theoretische Grundlage wird auch verwendet, um ein effizientes Lösungsverfahren für Berechnungen der instabilsten Modi zu erstellen, die in verschiedenen Windprofilen auftreten können.

Weitere Informationen finden Sie auf den Webseiten unserer Abteilung Kleinskalige Physik und Turbulenz.


Carpenter, J.R., A. Guha & E. Heifetz (2017): A physical interpretation of the wind-wave instability as interacting waves. Journal of Physical Oceanography, 47, 1441-1455, doi:10.1175/JPO-D-16-0206.1