Remote sensing of the diurnal cycle of optically thin cirrus clouds

Eiswolken und insbesondere hohe Zirruswolken bedecken im globalen
jährlichen Mittel bis zu 30 % der Erde und haben deshalb einen
signifikanten Einfluß auf das Klima. Eine Besonderheit hoher
Eiswolken ist, dass sie einen wärmenden Effekt auf das System Erde
und Atmosphäre besitzen können. Dieser wärmende Effekt wird u. a.
durch tägliche und saisonale Variationen der optischen
Eigenschaften beeinflußt. Um genaue Messungen der optischen
Eigenschaften von Aerosolen und Zirruswolken zu erhalten, wurde
2006 die "Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite
Observations" (CALIPSO) Mission in einen polaren Orbit gestartet.
Mit Hilfe des Hauptinstrumentes, des "Cloud- Aerosol Lidar with
Orthogonal Polarization" (CALIOP), können nun optische
Eigenschaften von Aerosol- und dünnen Wolkenschichten mit bisher
unerreichter Genauigkeit und Sensitivität bestimmt werden.
Allerdings erlaubt dieser Orbit mit einer Wiederkehrdauer von mehr
als zwei Wochen keine Ableitung von Tagesgängen der optischen
Eigenschaften und des Bedeckungsgrades von Zirruswolken, weshalb in
dieser Arbeit der Wolkensensor "Spinning Enhanced Visible and
Infrared Imager" (SEVIRI) auf dem geostationären "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 räumlichen Auflösung von bis zu 3
km x 3 km im Nadir und einer zeitlichen Auflösung von 15 Minuten.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein gänzlich neuer Ansatz verfolgt,
um die Vorteile beider Instrumente (die hohe Sensitivität und
Genauigkeit von CALIOP und die hohe zeitliche und räumliche
Auflösung von SEVIRI) miteinander zu verbinden: Der "Cirrus Optical
properties derived from CALIOP and SEVIRI during day and night"
(COCS) Algorithmus basiert auf dem Prinzip künstlicher Neuronaler
Netze und leitet die optischen Dicken von Zirruswolken und deren
Oberkantenhöhen aus Messungen der Infrarotkanäle des Instrumentes
SEVIRI ab, was Beobachtungen sowohl in der Nacht als auch am Tage
ermöglicht. Dieses Neuronale Netz wurde mit gleichzeitigen
Messungen der optischen Dicken und Höhen der Wolkenoberkante von
CALIOP trainiert. In 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
Algorithmus in der Ableitung der optischen Dicken und Höhen der
Wolkenoberkante von Zirruswolken. Zusätzlich wurden auch Vergleiche
der COCS-Ergebnisse mit zwei weiteren auf SEVIRI basierenden
Algorithmen durchgeführt: Zum einen mit dem "METEOSAT Cirrus
Detection Algorithm 2" (MECiDA-2), welcher ebenfalls die
thermischen Infrarotkanäle benutzt, zum anderen mit dem "Algorithm
for the Physical Investigation of Clouds with SEVIRI" (APICS),
welcher zur Ableitung der optischen Eigenschaften von Wolken sowohl
auf den Infrarotkanälen als auch auf Kanälen im sichtbaren
Spektralbereich basiert. Die Validierung zeigt hervorragende
Ergebnisse für die Erkennung von Zirruswolken mit einer
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 für die optische Dicke und 0.75 km für
die Höhe der Wolkenoberkante nachgewiesen. Basierend auf fünf
Jahren prozessierter COCS-Daten werden die Tagesgänge von
Zirruswolken in verschiedenen Regionen der Erde analysiert und
diskutiert. Die Ergebnisse zeigen ausgeprägte Tagesgänge des
Zirrusbedeckungsgrades und der optischen Dicke, welche sich von den
Vorhersagen des "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 übereinstimmende
Tagesgänge in konvektiven Regionen, während Unterschiede in
nichtkonvektiven Regionen über dem Nord- (NAR) und Südatlantik
(SAR) sichtbar werden. Generell wird vor allem in diesen Regionen
ein höherer Bedeckungsgrad mit Unterschieden von 3-10 % durch COCS
errechnet. Abschließend werden die Unterschiede der NAR und SAR
diskutiert, da im Nordatlantik einer der meist frequentierten
ozeanischen Flugkorridore liegt. Hier mischen sich die heißen
Flugzeugabgase mit kalten Luftmassen und führen zur Bildung von
Kondensstreifen. Diese Kondensstreifen verlieren mit der Zeit ihre
lineare Form und können anschließend nicht mehr von natürlich
entstandenen Zirruswolken unterschieden werden. Grundsätzlich 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.