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Integrated Climate Data Center
CENIntegrated Climate Data Center ICDC

Foto: getty images/L. Calvetti

Land

Land
Abb. 1: Landschaft. Copyright: Stefan Kern

Parameter der Landoberflächen

Albedo

Example of the land surface albedo for North Africa
Abb. 2: Beispiel der Landoberflächenalbedo für Nordafrika (Daten von MeteoSAT, mit Genehmigung von EUMETSAT)

Die Albedo bestimmt den Anteil der solaren Einstrahlung, der an Erdoberfläche, Vegetation und Wolken reflektiert wird. Sie ist damit von fundamentaler Bedeutung für den kurzwelligen Strahlungshaushalt am Boden bzw. der Erde als Ganzes. Die Albedo hängt ab vom Landnutzungstyp und den Eigenschaften der Erdoberfläche, Schneedecke und der Vegetation in Bezug auf Reflektion und Absorption von Sonnenstrahlung. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Datenprodukte für die Oberflächenalbedo, je nach dem welche Nebeneffekte (diffuse Himmelsstrahlung, Wolkenschatten, Einfallswinkel, et cet.) berücksichtigt wurden. Abgeleitet wird die Albedo aus frequenz-aufgelösten Satellitenmessungen im sichtbaren Spektralbereich mit Sensoren wie z. B. den Meteosat Satelliten, dem Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) und dem Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). Die Albedo wird in der Regel ohne Einheiten angegeben. Da sie im Wesentlichen das Verhältnis aus reflektierter zu einfallender Sonnenstrahlung ist, ist der Wertebereich 0 ... 1. Eine Albedo von 1 bedeutet, dass sämtliche einfallende Sonnenstrahlung wieder reflektiert wird. Wolken, Schnee und Eis haben in der Regel eine hohe Albedo, Landoberflächen eine niedrige (siehe Abbildung 2).

Datenquellen / - produkte für die Oberflächenalbedo sind

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Solare Einstrahlung

Die am Boden einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung bestimmt den kurzwelligen Strahlungshaushalt am Boden bzw. der Erde als Ganzes. Wieviel der am Oberrand der Atmosphäre eintreffenden Sonnenstrahlung tatsächlich am Boden ankommt hängt vom Weg der Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre, der Aerosolkonzentration, der Wolkenbedeckung und der Oberflächenalbedo (siehe oben) ab. Abgeleitet wird die am Boden auftreffende solare Einstrahlung aus (teilweise) frequenz-aufgelösten Satellitenmessungen im sichtbaren Spektralbereich mit Sensoren wie z. B. den Meteosat Satelliten, dem Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS), dem Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) und CERES. Die Einheit ist Watt / m².

Datenprodukte für die kurzwellige Sonneneinstrahlung am Boden:

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Landoberflächentemperatur

Anomaly of the land surface temperature (LST) derived from MODIS for middle and southern Europe for July 2003.
Abb. 3 : Anomalie der Landoberflächentemperatur für Mittel- und Südeuropa abgeleitet aus MODIS Daten für Juli 2003.
Trend of MODIS LST for January 2000-2018 in K/10 years
Abb. 4: Trend der MODIS Landoberflächentemperature (LST) für Januar 2000-2018 in K/10 Jahre

Die Beobachtung der Landoberflächentemperatur ist von fundamentaler Bedeutung für die Quantifizierung des fühlbaren Wärmestroms und der langwelligen Strahlungsbilanz der Erdoberfläche. Unter wolkenfreien Bedingungen kann die Landoberflächentemperatur aus Satellitendaten bestimmt werden. Der Satellit misst dabei in der Regel die im thermischen Infrarot ausgesandte Strahlungsenergie, die zunächst in eine Strahlungstemperatur und dann mittels Kenntnis des Emissionsvermögens der beobachteten Erdoberfläche im infraroten Spektralbereich in die Erdoberflächentemperatur umgerechnet wird. Je nach Satellitensensor und Ort sind dafür mehr oder weniger aufwändige Korrekturen von Streuprozessen in der Atmosphäre vonnöten. In Frage kommende Satellitensensoren sind z. B. das Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), MeteoSAT, das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) und das (Advanced) Along Track Scanning Radiometer ((A)ATSR). Landoberflächentemperaturen werden in Grad Celsius (°C) oder Kelvin (K) angegeben.

Die Abbildungen 3 und 4 zeigen Anwendungen derartig abgeleiteter Landoberflächentemperaturen: die Anomalie der Landoberflächentemperatur im Juli während des Rekordsommers 2003 und der Trend der Landoberflächentemperatur für Januar 2000-2018.

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Vegetation / Landnutzung

Abb. 5: Beispiel des NDVI (http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/NDVI/index.html)

Kenntnis von Landnutzung und Vegetation spielen für eine Vielzahl von Anwendungen eine wichtige Rolle, wie z. B. für die Bestimmung fühlbarer und latenter Wärmeflüsse, die Verdunstung und Bodenfeuchte, die Ableitung von Schneebedeckung und -dicke sowie die Quantifizierung von kurz- und langwelliger Strahlungsbilanz über mit Vegetation bedeckten bzw. anderwärtig genutzten (z. B. Städte) Landoberflächen. Zum Einsatz kommen hier, wie auch schon für die Albedo (s. o.) und die Landoberflächentemperatur (s. o.), eine Vielzahl verschiedener, im sichtbaren wie infraroten Spektralbereich arbeitenden Satellitensensoren (AVHRR, MODIS, MeteoSAT, MERIS, MIPAS, SPOT). Auch hier fließen in die Berechnung der Parameter (s. u.) eine Vielzahl Korrekturen ein - z. B. bzgl. der Streuung in der Atmosphäre, Wolkenbedeckung, Satellitenblickwinkel, Winkel der auftreffenden Sonnenstrahlung et cet.

Man kann (hauptsächlich) zwischen drei Parametern unterscheiden:

a) der Anteil der absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung (FAPAR)

b) der Blattflächenindex (LAI)

c) die normierte Vegetationsindexdifferenz (NDVI) (siehe Abbildung 5)

Zusätzlich werden (zum Teil) auf Basis der oben genannten Parameter Landnutzungs- / -oberflächentypen (Nadelwald, Laubwald, Savanne, et cet.) abgeleitet, wie sie z.B. vom International Geosphere Biosphere Programme (IGBP) definiert worden sind, oder prozentuale Bedeckungen mit Vegetation und/oder Wald:

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Bodenfeuchte, -typ und Verdunstung

Der Bodenfeuchtgehalt ist eine der Schlüsselvariablen bei der Aufteilung der am Boden zur Verfügung stehenden Energie. Bei hohem Feuchtegehalt geht ein Großteil der Energie in die Verdunstung von der Erdoberfläche und der Vegetation. Bei niedrigem Feuchtegehalt ist die Verdunstung hingegen eingeschränkt. Deshalb beeinflußt die Bodenfeuchte nachhaltig den Boden-Atmosphäre-Wärmeaustausch (latent wie fühlbar) und damit auch Aufbau, Struktur und Mächtigkeit der Atmosphärischen Grenzschicht.

Eng verknüpft mit der Bodenfeuchte ist der Bodentyp. Aufbau und -typ der obersten Bodenschichten beeinflussen maßgeblich die Bodenfeuchte, das Ablaufverhalten und die Langzeitspeicherungskapazitäten.

Es gibt derweil eine ganze Reihe auf Satellitenbeobachtungen aktiver wie passiver Mikrowellensensoren beruhende Methoden zur Abschätzung des Feuchtegehalts der obersten paar Zentimeter des Bodens. Dafür benutzte Sensoren sind z. B. das Advanced SCATterometer (ASCAT) auf METOP sowie das Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E) auf den EOS-Satelliten TERRA und AQUA.

Seit 2009 gibt es zudem eine ESA-Satellitenmission die sich speziell der Bodenfeuchte widmet: Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS).

Hier gibt es mehr Information zum Bodentyp:

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Topographie und Geoid

Die Topographie der Erdoberfläche (an Land und unterhalb der Wasseroberfläche) beeinflußt Luft- und Meeresströmungen, die Hydrologie der Landoberfläche und das Fließen von Gletschern. Für ein korrektes Verständnis und die korrekte Interpretation von klima-relevanten Prozessen sowie die Abschätzung von Folgen zukünftiger Klimaveränderungen, ist die Kenntnis einer globalen Topographie ein notwendiges Hilfsmittel.

Der hier angebotene Topographiedatensatz: ETOPO1, hat eine räumliche Auflösung von 1' (eine Bogenminute = 1 Seemeile = 1.852 km) und ist der Nachfolger der gröber aufgelösten Datensätze ETOPO2v2 und ETOPO5. Gitterzellenzentren liegen auf Kreuzungspunkten von Längen- und Breitenlinien (so genannte "grid registration"); der angebotene Datensatz beinhaltet die Höhe der Eisschilde (z. B. Grönland) nicht die des darunter liegenden Felsbettes (siehe NOAA-NGDC).

Dieser Datensatz ist ein Komposit aus einer Vielzahl Datenquellen; Informationen über diese sowie die Methoden ihrer Kombination sind im ETOPO1 Development Report (pdf, nicht barrierefrei) zu gegeben.

Zugang zu Topografie Daten: (Achtung: Dateigröße ist 250 Mb - 400 Mb!) über

/data/icdc_main/DATA/land/topography/DATA/

und zwar als geotiff, als netCDF-GMT4 und alternativ auch als netCDF-GDAL. Letzteres hat seine Ursache darin, dass GDAL die mit GMT-4 produzierte Version nicht ordnungsgemäß einliest (siehe auch die Readme-Datei).

Bei Datennutzung ist bitte folgendes Zitat zu verwenden: 

Amante C., and B. W. Eakins, 2009, ETOPO1 1 arc-minute global relief model: procedures, data sources and analysis, NOAA Technical Memorandum NESDIS NGDC 24, 19 pp., National Geophysical Data Center, Marine Geology and Geophysics Division, Boulder, Colorado.

Weiter führende Information gibt es beim NOAA-NGDC.

Wer an der Antarktis interessiert ist und entsprechende Information über Topographie, Lage von Messstationen, Felsenformationen, etc., benötigt dem empfehlen wir die kürzlich aktualisierte Antarktische Digitale Datenbasis (Version 6.0) von SCAR und BAS.

Dank der Aktivitäten des IBCAO gibt es seit kurzem eine neue Karte der Unterwasserbodentopographie für den Arktischen Ozean. Eine der Hauptverbesserungen ist die jetzt verfügbare räumlich Auflösung von 500 m x 500 m. Details zur letzten Ausgabe gibt es in Jakobsson et al. (2012).

Für Studien des Schwerefeldes, die Ableitung von MDT oder SSH als Altimeterdatan oder die Bestimmung der Meer- und Eisschilddicke ist das Geoid nötig. Wir verweisen hier auf zwei Geoid-Modelle, ein globales und ein auf den Arktischen Ozean beschränktes.

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Permafrostverteilung

Das Vorkommen und die Verteilung von Permafrost ist von großer Bedeutung für den Wasserkreislauf und für die Stoffflüsse (von z. B. CO2 oder Methan) zwischen Boden und Atmosphäre. Die raum-zeitliche Veränderung von Permafrostmächtigkeit und -verteilung gibt außerdem Aufschluß über Klimaveränderungen. Es gibt Anzeichen dafür, dass die Erwärmung insbesondere der sub-arktischen und arktischen Gebiete bereits zu einem merkbaren Rückgang des Permafrostvorkommens geführt hat.

Die wohl umfassenste Darstellung bzgl. Permafrostvorkommen und den damit verknüpften Bedingungen wurde an der ETH in Zürich vorgenommen. Wir verlinken hier auf diesen einzigartigen Datensatz:

Von der oben genannten Webseite sind die Daten verfügbar wahlweise als kml-Datei für Google Earth, im ArcGIS Format, und als raw binary (3 GB!).

Die räumliche Auflösung des Datensatzes beträgt 30 Bogensekunden (das ist weniger als 1 Kilometer), umfaßt den Bereich 60°S bis 90°N und hat damit 43200 x 18000 Gitterzellen.

Folgende Referenz empfehlen wir zum (vorab) Lesen und für das Zitieren der Daten bei Verwendung in Präsentationen / Artikeln / etc.:

Gruber, S. 2012: Derivation and analysis of a high-resolution estimate of global permafrost zonation, The Cryosphere, 6, 221-233. doi:10.5194/tc-6-221-2012.

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Länderinformation

Es gibt Anwender, die benötigen die Information über die Verteilung der Länder der Erde in gerasterter Form, z. B. um ein Landesmittel der Temperatur zu berechnen.

Für solche Anwender stellen wir eine netCDF-Datei mit gerasterer Länderinformation bereit, die über einen Zahlencode die Verteilung der Länder der Erde auf einem 0.5° x 0.5° Gitter angibt. In der zugehörigen Tabelle ist die Zuordnung dieser Codes zum jeweiligen Land angegeben. 

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Land-Wasser-Verteilung

Für Anwender die hochaufgelöste Information über die Land-Wasser-Verteilung benötigen stellen wir den MOD44W-Datensatz zur Verfügung. Dieser Datensatz basiert auf Daten der SRTM-Mission und MODIS, hat 250 m räumliche Auflösung und jährliche zeitliche Auflösung (2000-2015). Siehe hier für Details der Land-Wasser-Verteilung.

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