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SMART-HELIOS - Helikopter-getragene Beobachtungen von Spektral aufgelöster Strahlung

gefördert durch DFG WE 1900/18-1

Abhängig von ihren mikrophysikalischen Parametern und ihrer Höhenverteilung modifizieren Wolken sowohl die einfallende, solare Strahlung als auch die ausgehende, terrestrische Strahlung. Die genauere Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Wolke und Strahlung ist experimentell äußerst anspruchsvoll. Globale Beobachtungen werden von satellitengetragenen Instrumenten, wie dem Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), getätigt. Diese messen in verschiedenen Banden die von der Erde und Atmosphäre reflektierten und emittierten Strahldichten und basieren auf rein optischen Messprinzipien. Mithilfe von Modellrechnungen, mittels so genannter Strahlungstransfermodelle, können anschließend Aussagen über Wolkenparameter, wie beispielsweise die Wolken-optische Dicke und den effektiven Tropfenradius gemacht werden. Diese unterliegen Ungenauigkeiten aufgrund von Annahmen und Vereinfachungen in den verwandten Modellen; Effekte durch Wolkeninhomogenitäten und die 3D-Struktur der Wolke verkomplizieren die genaue Bestimmung der Parameter weiter. Eine kontinuierliche Verifizierung der Satellitenergebnisse ist damit essentiell.

Dies geschieht in gezielten Messkampagnen, die allerdings lediglich eine kleine Stichprobe aus dem globalen Wettergeschehen darstellen. Komplettiert werden diese Messungen ebenfalls von Ergebnissen aus Strahlungstransferrechnungen. In der Vergangenheit wurden flugzeuggetragene Messungen des atmosphärischen Strahlungsfeldes und der Wolkenmikrophysik durchgeführt, wobei Letztere essentiell für die Strahlungs-Modelleingabe sind. Bei dieser Messstrategie kommt es jedoch zwangsweise zu einem zeitlichen Versatz zwischen den Messungen innerhalb und oberhalb der Wolke. Da Wolken sehr variabel in Zeit und Raum sind, entstehen dadurch erhebliche Probleme bei der Interpretation der Messung und der Ableitung von optischen Wolkeneigenschaften (z.B. der Wolkenabsorption oder der Reflektivität an der Wolkenoberkante). Dies stellt eine wesentliche Quelle für Unsicherheiten der Strahlungs-Modellergebnisse dar.

In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Troposphärenforschung Leipzig (IfT) wurde daher eine neue Messplattform entworfen, die durch die Verwendung eines Hubschraubers als Messgeräteträger gleichzeitige Messungen von Strahlungsgrößen und Wolkeneigenschaften von stratiformen Grenzschichtwolken realisiert. Die mikrophysikalischen Wolkenparameter werden dabei vom Turbulenzmesssystem ACTOS (Airborne Cloud Turbulence Observation System), einer etwa 200 kg schweren Plattform, die 145m unterhalb des Hubschraubers in Wolkenhöhe hängt, gemessen. Die von der Wolkenoberkante reflektierte Strahlung wird von optischen Sensoren innherhalb einer zweiten Messplattform - SMART-HELIOS (HELIcopter-borne Observations of Spectral Radiation) - am oberen Teil des Schleppseil erfasst. Dies ermöglicht erstmals die synchrone (sowohl zeitliche als auch räumliche) Messung von mikrophysikalischen Wolken- und Strahlungsgrößen.



Messplattformen

Das Airborne Cloud Turbulence Observation System (ACTOS) ist eine, vom IfT in Leipzig entwickelte, unabhängige Messplattform für die lokale und hochaufgelösende Erforschung von Wolken. ACTOS trägt zahlreiche Instrumente zur Bestimmung von meteorologischen Parametern (PT-100 Widerstandsthermometer für die Lufttemperatur, kapazitive Hygrometer für die Luftfeuchte und ein Ultraschall Anemometer für den Windvektor), von mikrophysikalischen Wolkenparametern (Particle Volume Monitor - PVM-100A - für den Flüssigwasseranteil, Tropfenoberfläche und Effektiven Tropenradius, Phase-Doppler Interferometer for Cloud Turbulence - PICT - für Tropfenanzahlkonzentrationen) und Aerosolmessungen (zwei condensation particle counters - CPC - für Anzahlkonzentrationen von nicht aktiviertem Aerosol).

 

Blick auf ACTOS während der Startphase in Cabauw, Niederlande. Photo: Shaw, R. A.

 

SMART-HELIOS (HELIcopter-borne Observations of Spectral Radiation) ist eine neue Version unseres SMART-Albedometers für luftgetragene, spektral aufgelöste Strahlungsmessungen. HELIOS misst Strahldichten und Strahlungsflussdichten im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Dies erfolgt über jeweils einen Sensor für die jeweilige Strahlungsgröße, welche mit vier Gitterspektrometern verbunden sind (ein Spektrometer für jeweils 1 Größe und einen Spektralbereich). Die Datenaufzeichnung wird direkt mithilfe einer Compact-PCI-Karte geregelt. Weiterhin werden Daten eines GPS, eines Lagesensors und einer Digitalkamera gesammelt.

 

SMART-HELIOS während Testflügen in Winningen, Deutschland im Mai 2010. Photo: Henrich, F.


Messungen während EUCAARI 2008

Im Mai 2008 fanden in Cabauw, Niederlande zahlreiche Messflüge statt, bei denen die Messgeräte innerhalb von SMART-HELIOS noch im Hubschrauber installiert waren. Hierbei wurden zwei Wolken von ACTOS vermessen und die Optische Wolkendicke und der effektiven Tropfenradius ermittelt. Simultan wurden von den Strahlungssensoren unterhalb des Hubschraubers die von der Wolkenoberkante reflektierten, spektral aufgelösten Strahldichten und Strahlungsflussdichten gemessen. Der gesammelte Datensatz wurde dann auf mögliche Korrelationen zwischen Wolkenmikrophysik und Strahlungsgrößen untersucht. Ebenso wurden die Optische Wolkendicke und der effektive Tropfenradius mittels eines Strahlungstransfermodells aus den gemessenen Strahldichten ermittelt und mit den von ACTOS gemessenen Größen verglichen.

 

Flugroute vom Messflug am 18.Mai 2008. Darstellung mithilfe von Google Earth

 

Momentaufnahme, aufgenommen von einer Kamera auf ACTOS, während des Messfluges am 18.Mai 2008.


Letzte Aktualisierung am 17. 8. 2016 von André Ehrlich