NorthSat-X ist ein vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK, Programm: Digitalisierung in den Naturwissenschaften) gefördertes Projekt, das in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) umgesetzt wird.

Worum geht es in NorthSat-X?

Die Nordseeküste ist durch eine hohe Bevölkerungsdichte sowie als wichtiger Wirtschafts- und Erholungsraum geprägt. Als Schelfmeer ist die Nordsee jedoch besonders sensibel gegenüber den Auswirkungen des Klimawandels (Høyer und Karagali, 2016; Sterl et al., 2009; Jones und Reid, 2001). So können die Zunahme der Wassertemperatur, die Änderung von Süßwasserflüssen und Salinität beispielsweise zu Verlusten von Fischgründen in der Nordsee führen (Beaugrand und Kirby, 2010).

Aufgaben und Zielsetzung

Um solche Veränderungen und Risiken besser bestimmen zu können, soll das satellitenbasierte Monitoring von essentiellen Klimavariablen (ECVs) für Küstengewässer in NorthSat-X mithilfe von Verfahren des maschinellen Lernens grundlegend verbessert werden. Zu den essentiellen Klimavariablen zählen beispielsweise der Salzgehalt der Meeresoberfläche (SSS) sowie die Temperatur der Meeresoberfläche (SST). Notwendige Referenzdaten werden mit einem ferngesteuerten Katamaran (AutoCat) direkt an der Meeresoberfläche gemessen. Die Auslegung und die Installation der notwendigen Sensorik an AutoCat gehört zu den Aufgaben in NorthSat-X. Um eine räumliche sowie zeitliche Übereinstimmung von Satellitendaten und Referenzdaten zu erreichen, ist eine Zusammenarbeit mit dem Soil Moisture Ocean Salinity mission (SMOS) Expert Center (Institute of Marine Sciences, Barcelona, Spain) geplant.

Satellitenbeobachtungen sind ein wichtiger Bestandteil des Ozeanmonitorings. Es gibt jedoch noch zwei große Herausforderungen für die Qualität von Satellitenprodukten zur Überwachung von ECVs an der Meeresoberfläche: (i) die unzureichende Kalibrierung und Validierung von Satelliten-Fernerkundungsdaten mit bodennahen Referenzdaten und (ii) die Beeinträchtigung der Datenqualität durch Landmassen schränkt den Einsatz von Satellitenprodukten in Küstengewässern ein. Dies gilt insbesondere für Daten, welche mithilfe von Mikrowellenradiometern erfasst wurden. Da Mikrowellen Wolken durchdringen können, sind diese aber besonders für den Nordseeraum interessant, eben weil Wolkenbedeckungen hier zu den üblichen Witterungsbedingungen gehören. Umfassende geostatistische Analysen, sowie die Entwicklung und Anwendung von „Explainable Artificial Intelligence“ (XAI) werden zum Einsatz kommen um die zeitliche und räumliche Variabilität der ECVs an der Meeresoberfläche zu analysieren. Hier werden auch die die Effekte von Windgeschwindigkeit, Niederschlag und Verdunstung auf SSS und SST untersucht. Mit besonderem Intresse wird der Einfluss dieser Parameter auf das Verhältnis von der ~10-20 µm dünnen Schicht an der Meeresoberfläche (sea surface skin) und den darunter liegenden Schichten erforscht.

Projektpartner

NorthSat-X besteht aus einem multidisziplinären Team aus Ozeanographen, Physikern, Ingenieuren, KI-Forschern und Fernerkundlern.