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Bodengebundene Beobachtung von Wolkenseiten durch spektrale Radiometrie

gefördert durch: DFG (JA 2023/2-2)

Projektbeschreibung

Das bodengebundene Instrumentenpaket LIRAS (LIdar and RAdiation System for cloud profiling) wird zur Ableitung von Vertikalprofilen von mikrophysikalischen Parametern von konvektiven Wolken benutzt, um die vertikale Entwicklung der Wolke zu untersuchen. Profile der thermodynamischen Phase können über spektralen Information der Strahlungsmessungen und von der Depolarisation des Lidarsignal abgeleitet werden. Zur Bestimmung der Wolkenpartikelgröße sind dreidimensionale (3D) Strahlungstransportsimulationen erforderlich, die die 3D Strukturen von konvektiven Wolken berücksichtigen. Die Ergebnisse des Projekts können als Machbarkeitsstudie für flugzeuggetragene Messungen (z.B. auf HALO) und für zukünftige Satellitenmissionen dienen.



Instrumenteller Aufbau

Abb.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau von LIRAS. Die Eingangsoptik der Zeiss-Spektrometer sind zusammen mit der Hyperspektralkamera Aisa-EAGLE auf einem Scanner montiert. Das Lidar besitzt aufgrund seiner geringen zeitlichen Auflösung von 10 - 30 einen separaten Scanner. Aisa-EAGLE gibt räumliche Informationen von spektralen Radianzen im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 1000 nm, während die Zeiss-Spektrometer auch den Bereich bis 2000 nm abdecken, der für die Bestimmung der Phase und des Effektivradius wichtig ist. Aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung des Aisa-EAGLE und der Zeiss-Spektrometer können Wolken innerhalb von wenigen Sekunden komplett vermessen werden.



Identifizierung von beleuchteten Wolkenteilen

Die spektrale Signatur des reflektierten Signals von beleuchteten Wolkenelementen hängt überwiegend von der spektralen Signatur der der einfallen Strahlung und dessen spektrale Extinktion durch das betrachtete Wolkenelement ab. Im Gegensatz dazu wird für abgeschattete Wolkenteile die gemessene Strahlung durch diffuse Anteile aus verschiedensten Raumrichtungen beeinflusst. Zur Identifizierung der beleuchteten Wolkenelemente werden alle gemessenen Spektren auf mögliche Abschattungen klassifiziert, indem die Daten normalisiert und nach typischen spektralen Signaturen untersucht werden, die u.a. von der Bodenalbedo abhängen (Abb. 2).


Von den normalisierten Spektren des Aisa-EAGLEs können Histogramme erstellt werden, die typischerweise drei Moden zeigen, von denen ein Grenzwert für beleuchtete Wolkenteile abgeleitet werden kann (Abb. 3).



Identifizierung der Thermodynamischen Phase

Der spektrale Anstieg der Radianz für Flüssigwasser und Eis unterscheidet sich im Wellenlängenbereich von 1.5 - 1.7 µm. Ein Phasenindex ist definiert, bei dem positive Werte für Eiswolken und negative auf Eiswolken hindeuten wie in Abb. 4 gezeigt ist.


Anwendung

Messungen mit dem LIRAS-System wurden u.a. während des HD(CP)2 Observational Prototype Experiments (HOPE) in Jülich 2013. Abb. 5 zeigt ein Beispiel für eine Wolkenmaske und dem Profil des Phasenindices.


Veröffentlichung


Jäkel et al., Thermodynamic phase retrieval of convective clouds: impact of sensor viewing geometry and vertical distribution of cloud propertiese and fields of cirrus optical thickness., Atmos. Meas. Tech., 6, 539-547, 2013


Letzte Aktualisierung am 24. 7. 2018 von Evi Jäkel