Global climate change is considered to be one of the most serious concerns of humankind (United Nations, 1992; United Nations, 2002). Anthropogenic greenhouse gases and aerosols impact considerably the energy balance of the Earth system, possibly provoking adverse effects on social, ecological, and economical equilibria. This is one of the main reasons why the understanding of the Earth’s climate system is of major importance. If better predictions of the response of the climate system to anthropogenic perturbations were available, political decisions against negative impacts could be taken, and social adaptations to changed climate conditions would be possible.

Global climate change is considered to be one of the most serious concerns of humankind (United Nations, 1992; United Nations, 2002). Anthropogenic greenhouse gases and aerosols impact considerably the energy balance of the Earth system, possibly provoking adverse effects on social, ecological, and economical equilibria. This is one of the main reasons why the understanding of the Earth’s climate system is of major importance. If better predictions of the response of the climate system to anthropogenic perturbations were available, political decisions against negative impacts could be taken, and social adaptations to changed climate conditions would be possible.

The practical handling and analysis of satellite data is outlined using the programming language Python. The limb sounding technique of the SABER instrument on board of the TIMED satellite delivers vertical profiles of kinematic temperature from the stratosphere (∼30 km) up to the lower thermosphere (∼120 km). The procedure may be summarised as follow: In the first step the level 2 data for one month are extracted from the netCDF format and arranged into a new altitude-latitude grid for the ascending and descending orbits. The longitudinal structure is rearranged applying the decomposition into zonal harmonics. Various cross sections of the data give a good overview of the thermal structure and dynamics of the atmosphere up to 120 km. The monthly values of the zonal averaged temperature are compared to the available data from stratospheric reanalyses up to 60 km as well as the initialized background climatology of general circulation models for the middle atmosphere. / In diesem Artikel soll der praktische Umgang mit Satellitendaten und deren Auswertung unter Verwendung der Programmiersprache Python skizziert werden. Auf der Basis der Horizontsondierungen des SABER Instruments auf dem TIMED Satelliten werden vertikale Profile wie die kinetischen Temperatur von der Stratosphäre (∼30 km) bis zur unteren Thermosphäre (∼120 km) gewonnen. Die Arbeitsschritte bei der Analyse lassen sich wie folgt gliedern: Als erstes werden die Level 2 Produkte eines Monats aus dem netCDF Format extrahiert und an ein neues Höhen-Breiten Gitter für jeden auf- und absteigenden Orbit angepasst. Die Längenstruktur wird mit Hilfe einer Zerlegung in harmonische Funktionen regularisiert. Diverse Querschnitte der Daten geben ein guten Überblick über die thermischen Struktur und Dynamik der Atmosphäre bis 120 km. Die Monatswerte des Zonalmittels der Temperatur werden mit denen aus operationellen Reanalysedaten (∼60 km) sowie der Hintergrundklimatologie von Zirkulationsmodellen der mittleren Atmosphäre verglichen.

Basisdaten zur Stadtmorphologie sowie Daten über die spezifischen Bedarfe und Verbräuche der Sektoren wie Energie, Wasser und Abwasser, sind für die Stadtplanung und die Planung von Infrastruktur wichtig. Gerade in sich dynamisch entwickelnden urbanen Regionen des Globalen Südens liegen diese Daten zumeist nicht vor. Die vorliegende Studie zeigt, dass mittels Satelliten-Fernerkundung und Haushaltsbefragungen diese Informationslücken geschlossen werden können. Mittels Pléiades- und RapidEye-Aufnahmen konnten für die Stadt Kigali die Stadtmorphologie und die Anzahl von Gebäuden erhoben sowie eine Typisierung der Gebäude durchgeführt werden. Die Haushaltsbefragung zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen Stadtstruktur/Gebäudetyp und nutzerspezifischen Verbrauchs- und Bedarfswerten.

Urbane Grünflächen besitzen vielfältige Funktionen und sind als Bereitsteller von Ökosystemleistungen von zentraler Bedeutung. Sie dienen als Naherholungsflächen für die Stadtbevölkerung, als Lebensraum für Flora und Fauna und verbessern die Luftqualität. Mit Daten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus werden Satellitendaten in einer hohen geometrischen Auflösung sowie mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Abdeckung kostenlos zur Verfügung gestellt. Die Aufnahmen der Sentinel-2 Satelliten des Copernicus Programms werden in dieser Analyse verwendet, um urbane Grünflächen in deutschen Städten zu kartieren. Um phänologische Einflüsse abzubilden wird der Jahresgang der Vegetation anhand eines Medianmosaiks bzw. über Vegetationsindizes berücksichtigt. Darauf aufbauend wurde eine Methodik zur Landnutzungs-/Landbedeckungsklassifikation auf Basis von LUCAS Referenzpunkten entwickelt und getestet. Die hohe Gesamtgenauigkeit von 92,3 % zeigt, dass innerstädtische Grünflächen mithilfe flächendeckender Satellitendaten in hohem Detailgrad erfasst werden können.

One of the most difficult issues when dealing with optical water remote-sensing is its acceptance as a useful application for environmental research. This problem is, on the one hand, concerned with the optical complexity and variability of the investigated natural media, and therefore the question arises as to the plausibility of the parameters derived from remote-sensing techniques. Detailed knowledge about the regional bio- and chemico-optical properties is required for such studies, however such information is seldom available for the sites of interest. On the other hand, the primary advantage of remote-sensing information, which is the provision of a spatial overview, may not be exploited fully by the disciplines that would benefit most from such information. It is often seen in a variety of disciplines that scientists have been primarily trained to look at discrete data sets, and therefore have no experience of incorporating information dealing with spatial heterogeneity. <br><br> In this thesis, the opportunity was made available to assess the potential of Ocean Colour data to provide spatial and seasonal information about the surface waters of Lake Baikal (Siberia). While discrete limnological field data is available, the spatial extension of Lake Baikal is enormous (ca. 600 km), while the field data are limited to selected sites and expedition time windows. Therefore, this remote-sensing investigation aimed to support a multi-disciplinary limnological investigation within the framework of the paleoclimate EU-project ‘High Resolution CONTINENTal Paleoclimate Record in Lake Baikal, Siberia (CONTINENT)’ using spatial and seasonal information from the SeaWiFS satellite (NASA). From this, the SeaWiFS study evolved to become the first efficient bio-optical satellite study of Lake Baikal. <br><br> During the course of three years, field work including spectral field measurements and water sampling, was carried out at Lake Baikal in Southern Siberia, and at the Mecklenburg and Brandenburg lake districts in Germany. The first step in processing the SeaWiFS satellite data involved adapting the SeaDAS (NASA) atmospheric-correction processing to match as close as possible the specific conditions of Lake Baikal. Next, various Chl-<i>a</i> algorithms were tested on the atmospherically-corrected optimized SeaWiFS data set (years 2001 to 2002), comparing the CONTINENT pigment ground-truth data with the Chl-<i>a</i> concentrations derived from the satellite data. This showed the high performance of the global Chl-<i>a</i> products OC2 and OC4 for the oligotrophic, transparent waters (bio-optical Case 1) of Lake Baikal. However, considerable Chl-<i>a</i> overestimation prevailed in bio-optical Case 2 areas for the case of discharge events. High-organic terrigenous input into Lake Baikal could be traced and information extracted using the SeaWiFS spectral data. Suspended Particulate Matter (SPM) was quantified by the regression of the SeaDAS attenuation coefficient as the optical parameter with SPM field data. <br><br> Finally, the Chl-<i>a</i> and terrigenous input maps derived from the remote sensing data were used to assist with analyzing the relationships between the various discrete data obtained during the CONTINENT field work. Hence, plausible spatial and seasonal information describing autochthonous and allochthonous material in Lake Baikal could be provided by satellite data.<br>Lake Baikal, with its bio-optical complexity and its different areas of Case 1 and Case 2 waters, is a very interesting case study for Ocean Colour analyses. Proposals for future Ocean Colour studies of Lake Baikal are discussed, including which bio-optical parameters for analytical models still need to be clarified by field investigations. / Die Gewässerfernerkundung entwickelte sich seit den 70ern vor allem aus der Ozeanographie und der Atmosphärenforschung, und wird inzwischen als anerkannte Methode genutzt, um global die Phytoplanktonverteilung in den Weltmeeren erfassen zu können, u.a. für CO₂-Haushaltsmodellierungen. Atmosphärenkorrigierte Multi- und Hyperspektralscannerdaten ermöglichen die Qualifizierung bio-optischer Gewässertypen und die Quantifizierung optisch sichtbarer Wasserinhaltsstoffe und bieten gerade auch für dynamische und heterogene Küsten- und Binnengewässer das große Potential des räumlichen Informationsgewinnes.<br>Im Rahmen des Paläoklimaprojektes CONTINENT wurde in dieser Arbeit das Oberflächenwasser des Baikalsees mit Gewässerfernerkungsmethoden analysiert. Wichtig für die Interpretation von Klima-Proxies sind v.a. auch Hinweise auf die Verteilung des autochthonen Materials im Baikalsee (Fernerkundungsparameter: Chlorophyll-<i>a</i>), ebenso wie Hinweise auf allochthone Einträge an den Bohrungsstellen (Fernerkundungsparameter ‚Terrigener Eintrag’). Auf den Geländekampagnen in den Sommern 2001, 2002, 2003 in Sibirien und in Deutschland wurden Feldspektrometermessungen mit gleichzeitiger Wasserprobenahme auf die optisch sichtbaren Wasserinhaltsstoffe Phytoplankton, Schwebstoff, und DOC durchgeführt. Dabei konnten Messtechniken für Geländespektrometer evaluiert, und grundlegende Aussagen über die spektrale Verteilung des In-Wasser Lichtfeldes im Baikalsee gemacht werden. <br><br> Die Ocean Colour Satellitendaten des NASA-Instrumentes SeaWiFS und die Möglichkeiten der komplexen NASA Software SeaDAS wurden genutzt. Für die Ableitung des am Baikalsee anzutreffenden organikreichen terrigenen Eintrages, wurde ein vorläufiger Algorithmus aus den Geländedaten generiert. Verschiedene Algorithmen für den Parameter ‚Chlorophyll-<i>a</i>’ wurden mit dem Geländedatensatz der Projektpartnerin S. Fietz (Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, IGB) evaluiert. Als geeignetester etablierte sich der auf oligotrophe Gewässer optimierte NASA Chlorophyll Algorithmus ‚Ocean Colour (OC) 2’. Die Quantifizierungen und Ergebnisse werden diskutiert. <br><br> Als Endergebnis wird der Überblick über Sedimenteintrag und Phytoplanktondynamik im Baikalsee für den Zeitraum 2001-2002 zur Verfügung gestellt und die autochthonen versus allochthonen Einflüsse an den Projektlokationen werden beschrieben. Der Baikalsee erwies sich als bio-optisch ein sehr komplexes und interessantes Studienobjekt. Ein wichtiger Punkt, der in dieser Arbeit angesprochen wird, ist die Atmosphärenkorrektur, die wesentliche Einflüsse auf die Qualifizierungen und Quantifizierungen hat, aber als Standardprogramm nur für den pelagialen Wasserkörper in Meeresspiegelhöhe mit marinen, bzw. Küstenatmosphären konditioniert ist. Ein weiterer bedeutender Punkt, der in dieser Arbeit diskutiert wird, ist der relevante spektrale Einfluss des organikreichen terrigenen Eintrages auf die Gewässerfarbe und dadurch auf die Qualität der Chlorophyll-Ableitung. Somit boten sich die Möglichkeiten, das räumliche Ausmaß und die Dynamik rezenter terrigener Einträge zu erfassen. Auch die Entwicklung des Phytoplankton von Frühsommer bis Spätsommer im Baikalsee konnte mit den SeaWiFS Daten nachvollzogen werden. Die hier vorgestellte Studie stellte sich als die erste grundlegende optische Gewässerfernerkundungsstudie mit Satellitendaten am Baikalsee heraus, und konnte erfolgreich abgeschlossen werden.

Knowledge about land use and land cover represents an important information basis for various planning applications. In particular, urban and suburban regions are subject to a high dynamic development. The detection and identification of changes is therefore an important instrument to follow and accompany the developments by planning. Here, aerial photography and, increasingly, satellite images serve as an important basis for information. The recognition and mapping of changes is still a time-consuming and cost-intensive matter which is mostly realized by visual interpretation of aerial photography and to an increasing degree of high- and ultra-high-resolution satellite images. Within the scope of the present work a new, robust and largely automated process based on a statistical change analysis is developed and presented. Basis for the data are multitemporal high-resolution satellite image data. The generated suspect areas, respectively areas of change, are supposed to function as clues in order to facilitate the process of the visual interpretation of multitemporal image datasets with regard to change mapping, since only marked areas of change have to undergo further examination. Consequently, this process can be used as a tool to ease and accelerate the updating of planning bases in general and maps in particular so far realised by visual interpretation. However, the automation of the process is not only supposed to serve the purpose of saving time and cost but also to bring the interpretation process to a higher level of objectivity. In order to improve the quality of the whole process, for the preprocessing of the image data selected methods of image processing have been integrated. Through the use of additional geo-information reference data for the automated calculation of the areas of change, a further refinement of the results can be reached. The obtained results in the first time-cut (1997-1998) can be proved and verified by a different data-take (1997-2000). To reach a convenient use and a good distribution of the developed method, the process has been implemented by means of the widespread image processing software ERDAS IMAGINE. This allows to make the developed method available for other users, since it can easily be integrated into the working environment of ERDAS IMAGINE. / Das Wissen um die Landnutzung und Landbedeckung ist für planerische Anwendungsgebiete eine wichtige Informationsgrundlage. Gerade urbane und suburbane Regionen unterliegen einer hohen Entwicklungsdynamik. Das Erkennen und Aufzeigen von Veränderungen ist somit ein wichtiges Instrument um Entwicklungen zu verfolgen und planerisch zu begleiten. Luft- und zunehmend Satellitenbilder dienen hierfür als wichtige Informationsgrundlage. Das Erkennen und Kartieren von Veränderungen ist nach wie vor eine zeitaufwändige und kostenintensive Angelegenheit, die überwiegend durch visuelle Interpretation von Luft- und zunehmend auch mit hoch- und höchstauflösenden Satellitenbildern realisiert wird. In dieser Arbeit wird ein neues, robustes, weitgehend automatisiertes, auf einem statistischen Ansatz beruhendes Verfahren der Veränderungsanalyse entwickelt und vorgestellt. Die Datengrundlage bilden multitemporale, hoch auflösende Satellitenbilddaten. Die generierten Verdachts- bzw. Veränderungsflächen sollen als Anhaltspunkte fungieren, um den Prozess der visuellen Interpretation von multitemporalen Bilddatensätzen in Hinsicht auf eine Veränderungskartierung zu erleichtern, da nur als Veränderungsflächen markierte Areale einer weiteren Untersuchung unterzogen werden müssen. Das Verfahren kann somit als Werkzeug dienen, die durch visuelle Interpretation realisierte Aktualisierung von Planungsgrundlagen bzw. Kartenwerken zu erleichtern und zu beschleunigen. Die Automatisierung des Verfahrens soll jedoch nicht allein dem Zweck der Zeit- und Kostenersparnis dienen, sondern auch den Interpretationsprozess objektiver gestalten. Um die Qualität des Verfahrens zu erhöhen, werden ausgewählte Methoden der Bildverarbeitung für die Vorverarbeitung der Bilder in das Verfahren integriert. Durch das Einbinden zusätzlicher Geobasisdaten in die automatisierte Berechnung der Veränderungsflächen kann eine weitere Verbesserung der Ergebnisse erzielt werden. Die Ergebnisse, der im ersten Zeitschnitt (1997-1998) untersuchten Datensätze, werden mit Hilfe eines weiteren Zeitschnitts (1997-2000) überprüft und verifiziert. Um eine unkomplizierte Anwendung und Verbreitung der Methode zu erreichen, wurde das Verfahren mit Hilfe der weit verbreiteten Bildverarbeitungssoftware ERDAS IMAGINE realisiert. Dies ermöglicht, das Verfahren auch anderen Nutzern zur Verfügung zu stellen, da es problemlos in die Arbeitsumgebung des Bildverarbeitungssystems ERDAS IMAGINE integriert werden kann

This work is motivated by the question: how much complexity is appropriate for a cloud parameterization used in general circulation models (GCM). To approach this question, cloud parameterizations across the complexity range are explored using general circulation models and theoretical Monte-Carlo simulations. Their results are compared with high-resolution satellite observations and simulations that resolve the GCM subgrid-scale variability explicitly. A process-orientated evaluation is facilitated by GCM forecast simulations which reproduce the synoptic state. For this purpose novel methods were develop to a) conceptually relate the underlying saturation deficit probability density function (PDF) with its saturated cloudy part, b) analytically compute the vertical integrated liquid water path (LWP) variability, c) diagnose the relevant PDF-moments from cloud parameterizations, d) derive high-resolution LWP from satellite observations and e) deduce the LWP statistics by aggregating the LWP onto boxes equivalent to the GCM grid size. On this basis, this work shows that it is possible to evaluate the sub-grid scale variability of cloud parameterizations in terms of cloud variables. Differences among the PDF types increase with complexity, in particular the more advanced cloud parameterizations can make use of their double Gaussian PDF in conditions, where cumulus convection forms a separate mode with respect to the remainder of the grid-box. Therefore, it is concluded that the difference between unimodal and bimodal PDFs is more important, than the shape within each mode. However, the simulations and their evaluation reveals that the advanced parameterizations do not take full advantage of their abilities and their statistical relationships are broadly similar to less complex PDF shapes, while the results from observations and cloud resolving simulations indicate even more complex distributions. Therefore, this work suggests that the use of less complex PDF shapes might yield a better trade-off. With increasing model resolution initial weaknesses of simpler, e.g. unimodal PDFs, will be diminished. While cloud schemes for coarse-resolved models need to parameterize multiple cloud regimes per grid-box, higher spatial resolution of future GCMs will separate them better, so that the unimodal approximation improves.

Die folgende Arbeit ist Teil des multidisziplinären Projektes DESERT (DEad SEa Rift Transect), welches seit dem Jahr 2000 im Nahen Osten durchgeführt wird. Dabei geht es primär um die Struktur der südlichen Dead Sea Transform (DST; Tote-Meer-Transformstörung), Plattengrenze zwischen Afrika (Sinai) und der Arabischen Mikroplatte. Seit dem Miozän beträgt der sinistrale Versatz an dieser bedeutenden aktiven Blattverschiebung mehr als 100 km. Das steilwinkelseismische (NVR) Experiment von DESERT querte die DST im Arava Tal zwischen Rotem Meer und Totem Meer, wo die Hauptstörung auch Arava Fault genannt wird. Das 100 km lange Profil erstreckte sich von Sede Boqer/Israel im Nordwesten nach Ma'an/Jordanien im Südosten und fällt mit dem zentralen Teil einer weitwinkelseismischen Profillinie zusammen. <br><br> Steilwinkelseismische Messungen stellen bei der Bestimmung der Krustenstruktur bis zur Krusten/Mantel-Grenze ein wichtiges Instrument dar. Obwohl es kaum möglich ist, steilstehende Störungszonen direkt abzubilden, geben abrupte Veränderungen des Reflektivitätsmuster oder plötzlich endende Reflektoren indirekte Hinweise auf Transformbewegung. Da bis zum DESERT Experiment keine anderen reflexionsseismischen Messungen über die DST ausgeführt worden waren, waren wichtige Aspekte dieser Transform-Plattengrenze und der damit verbundenen Krustenstruktur nicht bekannt. Mit dem Projekt sollte deshalb untersucht werden, wie sich die DST sowohl in der oberen als auch in der unteren Kruste manifestiert. Zu den Fragestellungen gehörte unter anderem, ob sich die DST bis in den Mantel fortsetzt und ob ein Versatz der Krusten/Mantel-Grenze beobachtet werden kann. So ein Versatz ist von anderen großen Transformstörungen bekannt. <br><br> In der vorliegenden Arbeit werden zunächst die Methode der Steilwinkelseismik und die Datenverarbeitung kurz erläutert, bevor die Daten geologisch interpretiert werden. Bei der Interpetation werden die Ergebnisse anderer relevanter Studien berücksichtigt. Geologische Geländearbeiten im Gebiet des NVR Profiles ergaben, dass die Arava Fault zum Teil charakterisiert ist durch niedrige Steilstufen in den neogenen Sedimenten, durch kleine Druckrücken oder Rhomb-Gräben. Ein typischer Aufbau der Störungszone mit einem Störungskern, einer störungsbezogenen Deformationszone und einem undeformierten Ausgangsgestein, wie er von anderen großen Störungszonen beschrieben worden ist, konnte nicht gefunden werden. Deshalb wurden zur Ergänzung der Reflexionsseismik, welche vor allem die tieferen Krustenstrukturen abbildet, ASTER (Advanced Spacebourne Thermal Emission and Reflection Radiometer) Satellitendaten herangezogen, um oberflächennahe Deformation und neotektonische Aktivität zu bestimmen. / Following work is embedded in the multidisciplinary study DESERT (DEad SEa Rift Transect) that has been carried out in the Middle East since the beginning of the year 2000. It focuses on the structure of the southern Dead Sea Transform (DST), the transform plate boundary between Africa (Sinai) and the Arabian microplate. The left-lateral displacement along this major active strike-slip fault amounts to more than 100 km since Miocene times. The DESERT near-vertical seismic reflection (NVR) experiment crossed the DST in the Arava Valley between Red Sea and Dead Sea, where its main fault is called Arava Fault. The 100 km long profile extends in a NW&mdash;SE direction from Sede Boqer/Israel to Ma'an/Jordan and coincides with the central part of a wide-angle seismic refraction/reflection line. <br><br> Near-vertical seismic reflection studies are powerful tools to study the crustal architecture down to the crust/mantle boundary. Although they cannot directly image steeply dipping fault zones, they can give indirect evidence for transform motion by offset reflectors or an abrupt change in reflectivity pattern. Since no seismic reflection profile had crossed the DST before DESERT, important aspects of this transform plate boundary and related crustal structures were not known. Thus this study aimed to resolve the DST's manifestation in both the upper and the lower crust. It was to show, whether the DST penetrates into the mantle and whether it is associated with an offset of the crust/mantle boundary, which is observed at other large strike-slip zones. <br><br> In this work a short description of the seismic reflection method and the various processing steps is followed by a geological interpretation of the seismic data, taking into account relevant information from other studies. Geological investigations in the area of the NVR profile showed, that the Arava Fault can partly be recognized in the field by small scarps in the Neogene sediments, small pressure ridges or rhomb-shaped grabens. A typical fault zone architecture with a fault gauge, fault-related damage zone, and undeformed host rock, that has been reported from other large fault zones, could not be found. Therefore, as a complementary part to the NVR experiment, which was designed to resolve deeper crustal structures, ASTER (Advanced Spacebourne Thermal Emission and Reflection Radiometer) satellite images were used to analyze surface deformation and determine neotectonic activity.

This work is motivated by the question: how much complexity is appropriate for a cloud parameterization used in general circulation models (GCM). To approach this question, cloud parameterizations across the complexity range are explored using general circulation models and theoretical Monte-Carlo simulations. Their results are compared with high-resolution satellite observations and simulations that resolve the GCM subgrid-scale variability explicitly. A process-orientated evaluation is facilitated by GCM forecast simulations which reproduce the synoptic state. For this purpose novel methods were develop to a) conceptually relate the underlying saturation deficit probability density function (PDF) with its saturated cloudy part, b) analytically compute the vertical integrated liquid water path (LWP) variability, c) diagnose the relevant PDF-moments from cloud parameterizations, d) derive high-resolution LWP from satellite observations and e) deduce the LWP statistics by aggregating the LWP onto boxes equivalent to the GCM grid size. On this basis, this work shows that it is possible to evaluate the sub-grid scale variability of cloud parameterizations in terms of cloud variables. Differences among the PDF types increase with complexity, in particular the more advanced cloud parameterizations can make use of their double Gaussian PDF in conditions, where cumulus convection forms a separate mode with respect to the remainder of the grid-box. Therefore, it is concluded that the difference between unimodal and bimodal PDFs is more important, than the shape within each mode. However, the simulations and their evaluation reveals that the advanced parameterizations do not take full advantage of their abilities and their statistical relationships are broadly similar to less complex PDF shapes, while the results from observations and cloud resolving simulations indicate even more complex distributions. Therefore, this work suggests that the use of less complex PDF shapes might yield a better trade-off. With increasing model resolution initial weaknesses of simpler, e.g. unimodal PDFs, will be diminished. While cloud schemes for coarse-resolved models need to parameterize multiple cloud regimes per grid-box, higher spatial resolution of future GCMs will separate them better, so that the unimodal approximation improves.