Remote sensing of the diurnal cycle of optically thin cirrus clouds

Published: Nov. 19, 2012, 11 a.m.

b'Eiswolken und insbesondere hohe Zirruswolken bedecken im globalen j\\xe4hrlichen Mittel bis zu 30 % der Erde und haben deshalb einen signifikanten Einflu\\xdf auf das Klima. Eine Besonderheit hoher Eiswolken ist, dass sie einen w\\xe4rmenden Effekt auf das System Erde und Atmosph\\xe4re besitzen k\\xf6nnen. Dieser w\\xe4rmende Effekt wird u. a. durch t\\xe4gliche und saisonale Variationen der optischen Eigenschaften beeinflu\\xdft. \\nUm genaue Messungen der optischen Eigenschaften von Aerosolen und Zirruswolken zu erhalten, wurde 2006 die "Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations" (CALIPSO)\\nMission in einen polaren Orbit gestartet. Mit Hilfe des Hauptinstrumentes, des "Cloud-\\nAerosol Lidar with Orthogonal Polarization" (CALIOP), k\\xf6nnen nun optische Eigenschaften\\nvon Aerosol- und d\\xfcnnen Wolkenschichten mit bisher unerreichter Genauigkeit und Sensitivit\\xe4t bestimmt werden. Allerdings erlaubt dieser Orbit mit einer Wiederkehrdauer von mehr als zwei Wochen keine Ableitung von Tagesg\\xe4ngen der optischen Eigenschaften und des Bedeckungsgrades von Zirruswolken, weshalb in dieser Arbeit der Wolkensensor "Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager" (SEVIRI) auf dem geostation\\xe4ren\\n"METEOSAT Second Generation" (MSG) Satelliten benutzt wird. SEVIRI deckt mit seinen Messungen fast ein Drittel der Erde ab und reicht von 80 N bis 80 S und von 80 W bis 80 E bei einer r\\xe4umlichen Aufl\\xf6sung von bis zu 3 km x 3 km im Nadir\\nund einer zeitlichen Aufl\\xf6sung von 15 Minuten.\\nIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein g\\xe4nzlich neuer Ansatz verfolgt, um die Vorteile beider Instrumente (die hohe Sensitivit\\xe4t und Genauigkeit von CALIOP und die hohe zeitliche und r\\xe4umliche Aufl\\xf6sung von SEVIRI) miteinander zu verbinden: Der "Cirrus Optical properties derived from CALIOP and SEVIRI during day and night" (COCS) Algorithmus basiert auf dem Prinzip k\\xfcnstlicher Neuronaler Netze und leitet die optischen Dicken von\\nZirruswolken und deren Oberkantenh\\xf6hen aus Messungen der Infrarotkan\\xe4le des Instrumentes SEVIRI ab, was Beobachtungen sowohl in der Nacht als auch am Tage erm\\xf6glicht.\\nDieses Neuronale Netz wurde mit gleichzeitigen Messungen der optischen Dicken und H\\xf6hen der Wolkenoberkante von CALIOP trainiert. \\nIn dieser Arbeit wird die Entwicklung von COCS und die Validierung mit zwei unterschiedlichen Lidar-Messungen beschrieben, mit denen von CALIOP und mit denen des flugzeuggetragenen "High Spectral Resolution Lidar" (HSRL). Die Validierungen zeigen die hohe Genauigkeit des hier entwickelten\\nAlgorithmus in der Ableitung der optischen Dicken und H\\xf6hen der Wolkenoberkante von Zirruswolken. Zus\\xe4tzlich wurden auch Vergleiche der COCS-Ergebnisse mit zwei weiteren auf SEVIRI basierenden Algorithmen durchgef\\xfchrt: Zum einen mit dem\\n"METEOSAT Cirrus Detection Algorithm 2" (MECiDA-2), welcher ebenfalls die thermischen\\nInfrarotkan\\xe4le benutzt, zum anderen mit dem\\n"Algorithm for the Physical Investigation\\nof Clouds with SEVIRI" (APICS), welcher zur Ableitung der optischen Eigenschaften von Wolken sowohl auf den Infrarotkan\\xe4len als auch auf Kan\\xe4len im sichtbaren Spektralbereich basiert.\\nDie Validierung zeigt hervorragende Ergebnisse f\\xfcr die Erkennung von Zirruswolken mit\\neiner Fehldetektionsrate von unter 5 % und einer Detektionseffizienz von bis zu 99 % ab einer optischen Dicke von 0.1. Ebenfalls wird eine Standardabweichung von 0.25 f\\xfcr die optische Dicke und 0.75 km f\\xfcr die H\\xf6he der Wolkenoberkante nachgewiesen.\\nBasierend auf f\\xfcnf Jahren prozessierter COCS-Daten werden die Tagesg\\xe4nge von Zirruswolken\\nin verschiedenen Regionen der Erde analysiert und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen ausgepr\\xe4gte Tagesg\\xe4nge des Zirrusbedeckungsgrades und der optischen Dicke, welche sich von den Vorhersagen des\\n"European Centre for Medium-range Weather Forecasts" (ECMWF) unterscheiden. Eine Betrachtung des Bedeckungsgrades hoher Wolken, vorhergesagt durch das ECMWF, und der Ergebnisse des COCS Algorithmus zeigt gut \\xfcbereinstimmende Tagesg\\xe4nge in konvektiven Regionen, w\\xe4hrend Unterschiede in nichtkonvektiven Regionen \\xfcber dem Nord- (NAR) und S\\xfcdatlantik (SAR) sichtbar werden.\\nGenerell wird vor allem in diesen Regionen ein h\\xf6herer Bedeckungsgrad mit Unterschieden von 3-10 % durch COCS errechnet.\\nAbschlie\\xdfend werden die Unterschiede der NAR und SAR diskutiert, da im Nordatlantik einer der meist frequentierten ozeanischen Flugkorridore liegt. Hier mischen sich die hei\\xdfen Flugzeugabgase mit kalten Luftmassen und f\\xfchren zur Bildung von Kondensstreifen. Diese Kondensstreifen verlieren mit der Zeit ihre lineare Form und k\\xf6nnen\\nanschlie\\xdfend nicht mehr von nat\\xfcrlich entstandenen Zirruswolken unterschieden werden.\\nGrunds\\xe4tzlich zeigt sich hier eine starke Korrelation des Tagesganges von Bedeckungsgrad und optischer Dicke der Zirruswolken mit der Luftverkehrsdichte. Es werden Unterschiede von bis zu 3 % im Bedeckungsgrad zwischen NAR und SAR detektiert.'