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ACORES - Azores stratoCumulus measurements Of Radiation, turbulEnce and aeroSols


Um den Einfluss von Grenzschichtbewölkung auf das Klima der Erde besser zu verstehen, wurden im Juli 2017 Hubschraubermessflüge über den Azoren (39°N, 28°W) durchgeführt. In diesem Gebiet treten vor allem im Juni/Juli und Oktober/November regelmäßig ausgedehnte Felder von Stratocumulusbewölkung auf. über dem Ozean lassen sich Messungen über einer vergleichsweise homogenen Oberfläche (Wasser) durchführen, sodass die Prozesse in der Wolke ohne den Einfluss von Inhomogenitäten des Untergrundes erforscht werden können.



Abbildung 1: SMART-HELIOS und Helikopter am Boden. Abbildung 2: Stratocumulus über Graciosa.

Ein schematischer überblick über die Bedingungen und Prozesse am Oberrand einer Stratocumulusschicht ist in Abb. 3 dargestellt. Im unteren Bereich befindet sich die Wolkenschicht (grau), am oberen Bildrand die freie Troposphäre. Dazwischen erstreck sich die EIL (Entrainment Interfacial Layer), welche den übergangsbereich von Wolke und freier Troposphäre bildet. Als Entrainment wird dabei die Einmischung trockener Luft in die Wolke bezeichnet (rote Pfeile). Durch Absorption und Emission von terrestrischer Infrarotstrahlung sowie Absorption von solarer Strahlung im Bereich der Wolke kommt es zur Ausbildung von Heiz- und Abkühlungsraten, welche in der Regel zu einer schwachen Erwärmung der Wolke nahe ihrer Unterseite und einer stärkeren Abkühlung an der Wolkenoberkante führen. Das vertikale Profil der Strahlungsabbkühlung durch Emission von thermischer Infrarotstrahlung am Wolkenoberrand ist im linken Bereich der Abbildung dargestellt und zeigt, dass die Abkühlung direkt an der Wolkenoberkante am stärksten ist. Durch Entrainment und die dadurch verstärkte Verdunstung der Wolkentröpfchen tritt am Wolkenoberrand zudem Verdunstungskühlung auf. Dies führt zur Ausbildung einer zunehmend labilen Schichtung (konvektive Instabilität), da sich kältere Luftpakete mit größerer Dichte über wärmeren Luftpaketen mit geringerer Dichte befinden. Dadurch kommt es zur Durchmischung und zur Erzeugung von Turbulenz innerhalb der Wolkenschicht. Am rechten Bildrand ist der typische vertikale Verlauf der Temperatur (T) dargestellt. Am Oberrand von Stratocumulusbewölkung befindet sich oft eine ausgeprägte Temperaturinversion von 5–10 Kelvin, welche die Aufstiegsbewegungen abschwächt und somit die Entwicklung von hochreichender Konvektion verhindert. Im Bereich der Azoren entsteht diese Temepraturinversion durch Absinkbewegungen im subtropischen Hochdruckgürtel. Die Luft erwärmt sich beim Absinken und bildet eine Absinkinversion aus.



Abbildung 3: Schematische Darstellung der Prozesse im Bereich der Oberkante von Stratocumulusbewölkung. (nach Wood, 2012) Abbildung 4: Schematische Darstellung der Messanordnung mit SMART-HELIOS (1) und ACTOS (2).

Die Ziele der Kampagne sind (a) die Erforschung der feinskaligen Struktur der EIL, (b) die Quantifizierung des Einflusses der EIL auf die Entrainmentrate in Stratocumulusbewölkung und (c) die Quantifizierung der Bedeutung von Heiz- und Abkühlungsraten für Entrainment und Konvektionsprozesse in der Wolkenschicht. Durch die Existenz von Feedback-Mechanismen zwischen den einzelnen Prozessen ist die Erfassung zahlreicher meteorologischer Parameter zur Quantifizierung der einzelnen Prozesse und deren Wechselwirkungen erforderlich. Die Messanordnung ist in Abb. 4 dargestellt. Am Messhubschrauber (Bo-105CB4) wurden an einem insgesamt 170 m langen Seil zwei Messplattformen befestigt, SMART-HELIOS (1) hängt 20 m unter dem Hubschrauber und ACTOS (2) am Ende des Seils. SMART-HELIOS (HELIcopter-borne Observations of Spectral Radiation) befindet sich oberhalb der Wolke, die Plattform dient zur Messung von Strahlungsgrößen und wird vom LIM betrieben. ACTOS (Airborne Cloud Turbulence Observation System) befindet sich innerhalb der Wolkenschicht. Die Plattform ermöglicht dadurch die Erfassung von wolkenmikrophysikalischen und thermodynamischen Größen sowie der Turbulenz und Strahlung innerhalb der Wolke und wird vom TROPOS betrieben. Mit dem Hubschrauber können Messungen bis in 3000 m Höhe und Flugzeiten von maximal 2 Stunden realisiert werden. Durch seine geringe horizontale Geschwindigkeit von ca. 20 m s-1 lassen sich im Gegensatz zu Flugzeugmessungen auch kleinräumige Variationen messen, außerdem ist die Ableitung von Vertikalprofilen der unteren Troposphäre mit einem geringeren horizontalen Versatz möglich.


Abbildung 5: Bild einer Stratocumulusschicht im infraroten (links, GOBI-640-GigE, 8-14 µm) und sichtbaren Spektralbereich (rechts, CANON Kamera). Die Infrarotkamera liefert die Oberflächentemperatur in Kelvin. Im Bereich der Wolkenlücke misst die Infrarotkamera die Ausstrahlung der Meeresoberfläche, welche im Vergleich zur Wolkenoberkante wärmer ist.


Auf SMART-HELIOS befinden sich auf- und abwärts gerichtete Pyrgeometer und Pyranometer zur Erfassung der breitbandigen terrestrischen (TIR) und solaren (SW) Strahlung. Zusammen mit den Strahlungssensoren auf ACTOS ist dadurch die Ableitung von Heiz- und Abkühlungsraten möglich. Ein abwärtsgerichteter Radianzmesskopf dient in Kombination mit zwei Gitterspektrometern zur Erfassung der spektralen Strahlungsverteilung im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Dadurch lassen sich die optische Dicke der Wolke und der effektive Radius der Wolkenpartikel ableiten. Eine abwärtsgerichtete Infrarotkamera dient zur Erfassung der kleinskaligen Variabilität der Helligkeitstemperatur (Tb). Damit lassen sich Variationen in der Wolkenoberkantentemperatur von minimal 50 mK mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 10 cm messen (siehe Abb. 5). Für die Bestimmung der Distanz (d) zwischen Messplattform und Wolkenoberkante kommt ein Laseraltimeter zum Einsatz, wodurch die Variation der Wolkenoberkantenhöhe erfasst sowie die Position von ACTOS relativ zur Wolkenoberkante abgeleitet werden kann. Ein GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung, ein Lagesensor und eine CANON Digitalkamera komplettieren die Messplattform.



Abbildung 6: Kontrastverstärkte Aufnahme einer Glorie. Der Radius der farbigen Ringe ist abhängig von der Tropfengröße in der Wolke. Abbildung 7: Vergleich von Simulation (links, mit MiePlot von Philip Laven erstellt) und kontrastverstärkter Aufnahme (rechts). Die Tropfengröße in der Simulation beträgt 6.2 µm.



Letzte Aktualisierung am 24. 7. 2018 von Felix Lauermann