0.02 oei· 5° W, 19° N, 0.268
ｾ0.024
bei 28° S, 21° 0 und 0.129
ｾ0.018
bei 22° S, 21° O.
MODELLIERTE REFLEXIONSFUNKTIONEN VON LANDOBERFLÄCHEN UND IHRE NUTZUNG BEI DER BESTIMMUNG DER ALBEDO AUS METEOSAT-MINIMUMCOUNTS.
Ralf Meerkoetter und Peter Koepke
Meteorologisches Institut der Universität München, Theresienstr. 37, 8000 München 2
1 ZUSAMMENFASSUNG
2 VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER BODENALBEDO Um die Bodenalbedo ｾｳ aus den Meteosat Counts zu bestimmen, wird folgender Algorithmus be-nutzt:
Anhand eines Beispiels mitteleuropäischer Kulturschaft wird gezeigt, wie die für die Fernerkundung der Bodenalbedo wichtige Vorab-information über die winkelabhängige und spek-trale Reflexionscharakteristik heterogen zu-sammengesetzter Oberflächen gewonnen werden kann. Die Ergebnisse werden bei der Bestimmung der Bodenalbedo aus den Minimumcounts des Meteosat VIS Kanals angewendet.
Das Verfahren zur Bestimmung der Reflexions-funktionen heterogen zusammengesetzter Ober-flächen folgt einem geometrischen Ansatz, d.h., die Reflexionsfunktion werden für vorge-gebene, dreidimensional strukturierte Modell-oberflächen mit Hilfe geometrischer Optik numerisch simuliert. Dabei werden die durch die vertikale Struktur hervorgerufenen Ein-flüsse von ｂ･ｬ･ｵ｣ｨｴｵｮｧｳＭｾ Abschattungs- und Kulisseneffekten auf die Anisotropie der Re-flexionsfunktion berücksichtigt.
3 VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER REFLEXIONS-FUNKTIONEN
Darüberhinaus ist es möglich, daß innerhalb einer Modelloberfläche Strukturen mit jeweils unterschiedlichen Reflexionsfunktionen vorkom-men dürfen. Die Simulation der Reflexionsfunk-tionen für die gesamte Modelloberfläche er-folgt also durch eine Kombination gewichteter Anteile einzelner Reflexionsfunktionen unter Berücksichtigung der Einflüsse von überlager-ten vertikalen Strukturen.
Oberflächen, die schon im einzelnen Bildele-mente aus mehreren Bestandteilen' mi t jeweils unterschiedlichen Reflexionseigenschaften bestehen, sind die Kenntnisse über die Re-flexionsfunktionen sehr lückenhaft. Da jedoch schon in Arealen von der Größe der Meteosat-Bildelemente Oberflächen heterogen zusammenge-setzt sein können, kann eine mangelnde Infor-mation über Winkel- und Wellenlängenabhängig-kei t der Reflexion zu nicht mehr akzeptablen Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Boden-albedo führen. Von Meerkötter (1989) wurde daher ein Verfahren entwickelt, das erlaubt, die Reflexionsfunktionen heterogener Ober-flächen aus gemessenen Reflexionsfunktionen homogener Oberflächen zu bestimmen.
4 BEISPIELE SIMULIERTER REFLEXIONSFUNKTION Die Abbildungen 1 und 2 zeigen simulierte Reflexionsfunktionen bei einem Einfallszenit-winkel von 450 für eine aus drei Komponenten zusammengesetzte Oberfläche. Es handelt sich dabei um eine für die Kulturlandschaft Mittel-europas typische Oberfläche. Es wurde
angenom-ｾ･ｮＬ daß diese Oberfläche zu 37.5 %aus Acker-land, zu 37.5 %aus Weideland und zu 25 %aus Fichtenwald zusammengesetzt ist. Die Refle-xionsfunktionen der Komponenten entstammen den Messungen von Kriebel (1977) und Eaton and (1)
g f cSAT NCT / (hEo) (2) a + b ｾｳ
NCT mi t dem COS des Sonnenzenitwinkels normierter Count
cSAT Eichkonstante
f Faktor zur Umrechnung vom Meteosat-VIS-Kanal auf den gesamten solaren Spektralbereich
g Faktor zur Umrechnung von richtungs-abhängigen Strahldichten auf Flüsse h Sonnenabstandsfaktor
Eo Solarkonstante
t Albedo am Oberrand der Atmosphäre a, b Koeffizienten für die
Atmosphärenkor-rektur
Die Faktoren g, f, a und b werden aus der numerischen Simulation von Strahlungsfeldern für verschiedene Zustände des Systems Erde-Atmosphäre gewonnen. Da die die Winkel- und Wellenlängenabhängigkeit berücksichtigenden Faktoren im wolkenfreien Fall sehr stark von den Reflexionseigenschaften des Bodens abhän-gig sind, ist es wichtig, diese bei der nume-rischen Simulation der Strahlungsübertragung richtig zu berücksichtigen. Dies geschieht mit Hilfe der spektralen Reflexionsfunktion.
Die spektrale Reflexionsfunktion gibt quanti-tativ an, wie sich die aus jeweils einer Rich-tung einfallende Strahlung nach der Wechsel-wirkung mit dem Boden in spektraler Abhängig-keit auf alle Raumrichtungen verteilt.
Die· Reflexionsfunktion wurde bisher überwie-gend für homogen zusammengesetzte Oberflächen gemessen (z.B. Kriebel, 1977). Für heterogen .zusammengesetzte· Oberflächen dagegen, also
Einfallswinkel: 450 Phl= 0: 180·
Ph 1= 45 : 135 •
Phl= : 90·
Einfallswinkel: 450 - + Ph 1= 0: 180·
X Phl= 45: 135·
- . Phl= :' 90·
N 10y---,
Io
-
• a.2
L. sｾo
ｾｾ 4
·x
oCD 2ｾCD
Q:OL...,---.---.---.--...-...-...--..-....-....--.--.--.----.--...--...--...---...
5 LITERATUR
85 65 45 25 5 5 25 45 65 85
Reflexionswinkel in Grad Abb. 2
Wie in Abb. 1, jedoch bei höherer Vertikal-struktur der gesamten Oberfläche.
EATON F.D. and I. DIRMHIRN, 1979:
Reflected Irradiance Indicatrices of Natural Surfaces and their Effect on Albedo.
Apllied Optics, Vol. 18, pp 994-1008.
KRIEBEL K.T., 1977:
Reflection Properties of Vegetated Surfaces:
Tables of Spectral Biconical Reflectance Factors.
Universität München, Meteorologisches
Institut, Wissenschaftliche Mitteilung Nr. 29.
MEERKöTTER R., 1989:
Ein Modell zur Simulation von Reflexionsfunk-tionen heterogen zusammengesetzter Landober-flächen.
Universität München, Meteorologisches Insti-tut, Wissenschaftliche Mitteilungen Nr. 62 (im Druck).
N 10r---::1
Io
W;
aDirmhirn (1979). In den Abbildungen 1 und 2 sind die Reflexionsfunktionen für die Wellen-länge
=
0.52 11m im sichtbaren Spektralbe-reich dargestellt. Verglichen werden zwei verschiedene Modelloberflächen mit unter-schiedlicher vertikaler Struktur. Abb. 1 zeigt die Verhältnisse für den Fall, daß die Fläche der Fichtenbestände im Verhältnis zur mittle-ren Höhe des Bestandes groß ist, d.h. daß bei 20 m Bestandshöhe die mittlere Bestandsfläche 4 km2 beträgt.Abb. 2 gilt für den Fall, daß die Fläche der Fichtenbestände im Verhältnis zur mittleren Höhe kleiner ist, so daß bei 20 m Bestandshöhe die mittlere Bestandsfläche nur noch 4000 m2 groß ist.
Es zeigt sich deutlich, wie bei zunehmender vertikaler Struktur der Gesamtfläche sowohl Abschattungs- als auch Kulisseneffekte ver-stärkten Einfluß auf die Anisotropie der Re-flexionsfunktion nehmen. Im Vorwärtsstreu-bereich (linke Hälfte der Graphik) nehmen die Werte der Reflexionsfunktion hauptsächlich infolge der ａ｢ｳ｣ｨ｡ｾｴｵｮｧ bei großen Refle-xionszenitwinkeln ab. Im Rückwärtsstreubereich ist die Reduktion der Werte auf den Kulissenef-fekt zurückzuführen, d.h., daß bei großen Re-flexionswinkeln verstärkt der dunkle Wald zur Reflexionsfunktion beträgt, weil der relativ hellere Boden durch die einzelnen Bestände verdeckt wird. Schon anhand dieses Beispiels wird deutlich, daß die Winkel- und Wellen-längenabhängigkei t der Ref lexions funkt ion heterogen zusammengesetzter und vertikal strukturierter Oberflächen sich markant von homogen zusammengesetzten Oberflächen unter-scheiden kann. Dies muß bei der Fernerkundung der Bodenalbedo berücksichtigt werden.
85 65 45 25 5 5 25 45 65 85
Reflexionswinkel in Grad Abb. 1
Reflexionsfunktion für eine aus Weideland, Ackerland und Fichtenbeständen zusammengesetz-te Oberfläche geringer Vertikalstruktur.