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ADCP-NetCDF

Aus BAWiki

Version vom 23. Oktober 2015, 11:36 Uhr von imported>Grünler Steffen (Literatur/Links)


Allgemeines

Zielsetzung

Ein Großteil BAW-spezifischer Daten im Bereich der numerischen Modellierung werden in NetCDF abgelegt. Die im Rahmen von Naturuntersuchungen aufgenommen Messdaten werden für die Kalibrierung und Validierung der Ergebnisse der mathematischen Modellverfahren für den Küstenbereich und Ästuare benutzt. Ein Schwerpunkt der Messungen der BAW in den Ästuaren bilden schiffsgestützte ADCP-Messungen (ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler) zur quantitativen Erfassung der Hydrodynamik (z.B. Strömungsgeschwindigkeit und -verteilung) und der Sedimentdynamik.

Dem Anspruch, die ADCP-Messungen in einer standardisierten und strukturierten Form mit hinreichenden Metainformationen bereitzustellen, wird durch die Speicherung in NetCDF-Dateien unter Berücksichtigung der international vereinbarten Climate and Forecast (CF) Metadatenkonventionen ermöglicht (CF-Metadaten-Konvention, 2011). NetCDF wird weltweit in in Forschungsanstalten und Regierungsinstitutionen benutzt. Durch eine gemeinsame Visualisierungsschnittstelle kann eine optimierte Validierung der numerischen Modellergebnisse durch die ADCP-Messdaten erfolgen. Die BAW-spezifische Ausprägung einer ADCP-NetCDF-Datei unterliegt ebenso wie die CF-NETCDF.NC-Datei (Ergebnisse der numerischen Modellsimulationen) den NetCDF CF Metadatenkonventionen "CF-1.6". Sichtbar werden die benutzten Konventionen in den globalen NetCDF-Attributen (ADCP-NetCDF Globale Attribute, // global attributes: Conventions="CF-1.6").

Datenschnittstelle

Der NetCDF-basierte CF-Standard ist ursprünglich für die Ablage von modellgestützten Klimadaten (ozeanographisch, atmosphärisch) entwickelt worden. Um möglichst in gleichem Maß Beobachtungsdaten ablegen zu können, sind basierend auf den NetCDF CF-Konventionen sogenannte "Feature Types" Templates durch das National Oceanographic Data Center (NODC) entwickelt worden. Die Feature Types beruhen nicht auf der Art des Beobachtungssystems, des Instrumententyps oder der erfassten Variable. Stattdessen basiert die Struktur auf dem fundamentalen Zusammengang zwischen den im Raum und Zeit verteilten Koordinaten. Mit diesem Ansatz besteht in Verbindung mit den CF-Metadatenkonventionen eine exzellente Möglichkeit, um nahezu jede Art von Messung in der Natur standardisiert und strukturiert abzulegen.

Für die Ablage der schiffsgestützten, profilierenden ADCP-Querprofilfahrten eignet sich das Feature Type „TrajectoryProfile“. „Feature“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine einzelne Instanz der diskreten Abtastgeometrie. Die gefahrenen Querprofile stellen eine Reihe von Profilmessungen entlang eines Transektes (Trajektorie) dar. Diese Transekte besitzen Profilmessungen, die vertikal über die z-Achse und an jeder xy-Koordinate (geografische Höhe und Breite) variieren. Die Serie der Messungen (Datenpunkte) liegen hierbei entlang eines Pfades (Trajektorie) im Raum mit einer monoton ansteigenden Zeitachse. Aufgrund der unterschiedlich gefahrenen Länge der Schiffstransekte besitzt jede Trajektorie eine unterschiedliche Anzahl an Transekten und vertikalen Koordinaten. In Abhängigkeit der Lage im Raum lässt die CF-Konvention verschiedene Möglichkeiten der charakteristischen Repräsentation der Daten im Raum zu.

Die Länge des jeweiligen Schiffstracks unterscheidet sich etwas bei jeder Querfahrt innerhalb der Messkampagne (vgl. Bild " Lage der Trajektorien im Koordinatenraum"). Für den Fall der schiffsgestützten ADCP-Messungen entlang der Querprofile eignet sich im Prinzip eine unvollständige, multidimensionale, array-basierte Repräsentation (incomplete multidimensional array representation) der Daten, da die Merkmale innerhalb der Transekte nicht immer die gleiche Länge besitzen. Zur einfacheren Verarbeitung der NetCDF-Datei in möglichen Softwareprodukten wird bei der Definition der Array-Representation trotzdem auf die vollständige, multidimensionale, array-basierte Repräsentation (complete multidimensional array representation) zurückgegriffen.

Terminologie "TrajectoryProfile"

Lage der Trajektorien im Koordinatenraum
Zugrundeliegendes Gitter und Variablennamen

Der Feature Type TrajectoryProfile besteht aus zwei Elementdimensionen. Jede Trajektorie (Transekt) besitzt eine Anzahl an Profilen mit der entsprechenden Anzahl an Elementen und jedes Profil besitzt eine Anzahl von Daten der verschiedenen Ebenen wie seine Elemente. Daher wird in der ADCP-NetCDF Datei die "echte" Variable trajectory mit der Angabe der Profildimensionen (Gesamtanzahl der Trajektorien) und des cf-role-Attributes „profile_id“ angegeben. Die Werte identifizieren das jeweilige Profil (gefahrenes Transekt) eindeutig, wie nachfolgendes, in der Common Data Language (CDL) Notation geschriebenes, Beispiel zeigt:

netcdf Weser_090622_Rechtenfleth_depth2D {
dimensions :
     trajectory = 128 ;
     nMax_Ensemble = 122 ;
     nMax_Cell = 44 ;
     two = 2 ;
variables :
     int trajectory(trajectory) ;
         trajectory:long_name = "Transektnummer" ;
         trajectory:cf_role = "trajectory_id" ;

FeatureType CF-Repräsentation

Unter der Maßgabe, dass alle Profile für alle Trajektorien (Transekte) die selbe Anzahl an Elementen und alle vertikalen Ebenen die selbe Anzahl an Elementen für alle Profile besitzen, dann kann wie in diesem Fall die vollständige, multidimensionale, array-basierte Repräsentation benutzt werden. Nebenstehende Abbildungen verdeutlichen schematisch die Repräsentation der ADCP-Daten im Koordinatenraum sowie das zugrundeliegende Gitter mit den entsprechenden Variablennamen der ADCP-NetCDF Datei.

Globale Attribute

Zeitkoordinate

Vertikalkoordinate

Horizontales Koordinatensystem

Geophysikalische Variable

Derzeit werden folgenden Messgrößen in der ADCP-NetCDF CF Datei abgelegt:

Geophysikalische Größe CF-Standardname Bemerkung
Magnitude der Strömungsgeschwindigkeit magnitude_of_sea_water_velocity -
Strömungsgeschwindigkeit x-Komponente x_sea_water_velocity -
Strömungsgeschwindigkeit y-Komponente y_sea_water_velocity -
Strömungsgeschwindigkeit z-Komponente upward_sea_water_velocity Vektorkomponente: positiv = aufwärts, negativ =abwärts gerichtet
Instantaner Durchfluss water_flux_into_sea_water_from_rivers -
Suspendierte Schwebstoffkonzentration concentration_of_suspended_matter_in_sea_water -
Suspendierter Schwebstofftransport - kein CF-Standardname
Suspendierter Schwebstofftransport in x-Komponente - kein CF-Standardname
Suspendierter Schwebstofftransport in y-Komponente - kein CF-Standardname
Suspendierter Schwebstofftransport in z-Komponente - kein CF-Standardname
Wassertiefe sea_floor_depth_below_sea_surface aus ADCP Bottom-track
Wasserstand sea_surface_height von nächstgelegener Pegelmessstation
(Messunschärfe Suspendierte Schwebstoffkonzentration) - keine geophys. Größe; transekt-gemittelt
(Messunschärfe Suspendierter Schwebstofftransport) - keine geophys. Größe; transekt-gemittelt

Workfow ADCP2NetCDF

Workflow zur Erfassung und Ablage der CF konformen ADCP-NetCDF-Dateien sowie die gemeinsame Visualisierung der NetCDF (Modell) Post-Prozessor Davit.

Die Steuerung des Messablaufes, die Messwerterfassung durch den ADCP, die Kommunikation mit externen Sensoren sowie das Postprozessierung der ADCP-Daten wird durch die speziell dafür entwickelte Software-Suite ViSea DAS (ViSea Data Acquisition Software) und dem Zusatzmodul ViSea PDT (ViSea Plume Detection Toolbox) realisiert. Die synchronisierte Erfassung aller relevanten Messgrößen erlaubt bei der Postprozessierung eine effizientere und genauere Berechnung erforderlicher Korrekturen und die Abschätzung der instantanen Schwebstoffkonzentrationen in der Wassersäule.

Die mittels ViSea erfassten und reprozessierten Daten werden anschließend mit Hilfe der MATLAB-Anwendung adcp2netcdf in NetCDF abgelegt. Nebenstehende Abbildung zeigt schematisch und beispielhaft (für drei verschiedene vertikale Koordinatensysteme (vgl. ADCP-NetCDF Vertikalkoordinate]] die Verarbeitung der ADCP-Daten und die Ablage in CF NetCDF. In grün dargestellt ist die Schnittstelle, d.h. die geplante gemeinsame Visualisierung der ADCP-NetCDF und der aus der numerischen Modellierung resultierenden NetCDF-Datei im Postprozessor Davit (http://wiki.smileconsult.de/index.php?title=Davit). Damit kann der Vergleich der Naturmessungen mit den Modellergebnissen zum Zweck der Kalibrierung und Validierung der numerischen Modelle realisiert werden, basierend auf CF-konformen ADCP-NetCDF-Dateien.

Literatur/Links

  • Dokument mit einer detaillierten Beschreibung zur Ablage schiffsgestützter ADCP-Querprofilmessungen in NetCDF CF, (ca. 1,5MB)
  • Dokument mit einer detaillierten Beschreibung zur Bestimmung der Messunschärfe von schiffsgestützten ADCP-Schwebstoffmessungen, [Link tbd. XXX (ca. 1 MB)]

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