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Luftgestützte LiDAR-Messungen der Meeresoberfläche in Küstengebieten

GND
1210892138
ORCID
0000-0001-5130-5494
Affiliation/Institute
Institut für Flugführung
Bärfuss, Konrad

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Erfassung von Seegangsdaten im komplexen Küstenbereich der Deutschen Bucht basierend auf fluggestützten LiDAR (Light Detection And Ranging)-Messungen, wobei erstmals der Nachlauf eines Offshore-Windparks im Seegang durch Elevationsmessungen nachgewiesen wird.
Nach einer grundlegenden Einführung in die physikalische Ozeanographie mit Fokus auf die Beschreibung der Meeresoberfläche wird das das verwendete LiDAR-Gerät sowie die Adaption von Hardware und Software und die Integration für den Einsatz über der Nordsee vorgestellt. Es folgt eine Darstellung der Prozessierung der Rohdaten zur Bestimmung von geolokalisierten Oberflächenfeldern.
Es werden die für eine umfassende Auswertung verfügbaren Datensätze umrissen, woraufhin Werkzeuge zur Berechnung von Seegangsspektren aus dem Bereich der Ozeanographie zur Analyse der LiDAR-Oberflächendaten angepasst, vorgestellt und an einem kurzen Flugabschnitt in unmittelbarer Nähe zu einer Seegangsboje überprüft werden.
Diese Werkzeuge werden in Fallstudien auf zwei unterschiedliche Wind- und Seegangssituationen angewendet. Dabei gelingt der erste Nachweis des, durch in aktueller Forschung gekoppelte Wetter-Seegangsmodellen prognostizierten, Nachlaufs von Offshore-Windparks im Seegang durch Elevationsmessungen in einer entstehenden Windsee. Die Arbeit schliesst mit einem Ausblick über mögliche Anwendungen und die Bedeutung solcher Messungen.
Hervorzuheben ist das Gesamtkonzept der Messkette und der Messstrategie sowie dessen Umsetzung von der Integration eines Laserscanners bis hin zur wissenschaftlichen Verwertung der damit in der Deutschen Bucht durchgeführten Messungen. In mehreren Prozessierungsstufen fallen Resultate an, die in ihrer flächigen Abdeckung und Auflösung für die Deutsche Bucht einzigartig sind, und wesentliche Beiträge für die Formulierung und Validierung von Seegangsmodellen sowie die Auswertung von Satellitendaten leisten können.

This thesis describes the remote sensing technique, the data processing and the results obtained with measurements of the sea surface using an airborne LiDAR (Light Detection And Ranging) system in the complex coastal area of the German Bight. Changes in the sea surface properties behind offshore wind parks are proven for the first time.
After a brief introduction into physical oceanography with focus on surface waves, the LiDAR instrument and particular adaptions in terms of hard- and software as well as the integration into the research aircraft to employ the system in coastal areas are discussed and the data processing of raw measurements is described.
Different data sources and their relevant features are mentioned, whereupon mathematical calculations applied in from the field of ocean engineering are adapted for the use on LiDAR-measurements. These techniques are validated through the evaluation of a short flight segment close to a moored wave motion sensor with comparisons of significant wave height.
Subsequently, the calculations to obtain wave spectra are used to conduct two case studies with differing sea state and wind direction. In the case study where a growing sea was present, the first evidence of a wake effect in the ocean wave spectrum downwind of an offshore wind park is shown.
The own achievement of this thesis includes the development of the complete measurement chain up to data processing techniques. These extensive measurements denote a unique dataset of surface properties in the German Bight, which closes the observation gap between punctual buoy data and satellite measurements. In between processing steps, the dataset reveals relevant parameters that are useful to validate wind-wave-models and will help to refine satellite data analysis.

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