Band 17 (K. Barfus, 2010)
On the reconstruction of three-dimensional cloud fields by synergistic use of different
remote sensing data
155 Seiten
ISBN 978-3-86780-308-3
http://www.qucosa.de/recherche/frontdoor/cache.off?tx_slubopus4frontend[id]=6530
Kurzfassung zur Dissertation
Ziel der Arbeit war die Evaluierung inwieweit Datensätze von Wolkenparametern, horizontale Felder integraler Wolkenparameter und Schnitte vertikal aufgelöster Parameter, zur Rekonstruktion dreidimensionaler Wolkenfelder genutzt werden können. Entsprechende Datensätze sind durch MODIS und CloudSAT erstmals vorhanden und werden zusätzlich mit dem Start von EarthCARE zur Verfügung stehen.
Da dreidimensionale Wolkenfelder aus Messungen nicht existieren, wurden zur Entwicklung der Rekonstruktionsmethoden surrogate Wolkenfelder genutzt. Um die Qualität der surrogaten Wolkenfelder abzuschätzen und um mögliche Randbedingungen zur Rekonstruktion aufzuzeigen, wurden Statistiken der surrogaten Wolkenfelder mit denen unterschiedlicher Fernerkundungsprodukte verglichen. Dabei zeigte sich, dass, abgesehen von den gegenüber Messungen zu geringen Effektivradien der Wolkentropfen in den surrogaten Wolkenfeldern, die übrigen Wolkenparameter gut übereinstimmen.
Der Rekonstruktionsansatz gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil beinhaltet die Rekonstruktion der Wolkenfelder. Dazu werden drei Techniken unterschiedlicher Komplexität genutzt, wobei die Komplexität durch den Grad der eingebundenen Messungen bestimmt wird. Während die einfachste Technik lediglich Informationen, wie sie aus Nlessungen mit einem Satellitenradiometer gewonnen werden können, nutzt, binden die anderen Techniken zusätzlich Profilinformationen aus dem beobachteten Gebiet ein. Analysen zeigten, dass keine der Methoden für alle untersuchten Wolkenfelder den anderen Methoden überlegen ist. Dies mag daran liegen, dass die Flüssigwasserprofile der surrogaten Wolkenfelder nur geringfügig von den in der ersten Rekonstruktionsmethode angenommenen adiabatischen Flüssigwasserprofilen abweichen, so dass die Nutzung der Profile kaum zusätzliche Information für die Rekonstruktion liefert.
Im zweiten Teil des Rekonstruktionsansatzes wird die Qualität der rekonstruierten Wolkenfelder durch den Vergleich von Parametern des Strahlungstransfers, wie Photonenpfad-Statistiken und Strahlungsgrößen, evaluiert. Dazu wurden sowohl für
die surrogaten Wolkenfelder als auch für die rekonstruierten Wolkenfelder dreidimensionale Strahlungstransfersimulationen mit einem Monte-Carlo-Modell durchgeführt. Angenommen wurde hierbei, dass eine bessere Rekonstruktionsqualität durch geringere Abweichungen der betrachteten Strahlungsparameter aus Simulationen mit rekonstruierten und surrogaten Wolkenfeldern gekennzeichnet ist. Bei den Parametern, die die Photonenwege beschreiben, unterstützen lediglich die Abweichungen der geometrischen Photonenweglängen diese These. Weder erlauben die Abweichungen der übrigen Parameter, zum Beispiel der Eindringtiefen, Rückschlüsse auf die lokale Rekonstruktionsqualität der einzelnen Methoden zu ziehen, noch ermöglichen sie die beste Rekonstruktionsmethode zu identifizieren. Auch die Unterschiede der simulierten Reflektanzen können nicht zur Bestimmung der Rekonstruktionsqualität herangezogen werden. Durch Effekte wie horizontale
Photonentransporte werden die Zusammenhänge zwischen mikrophysikalbchen und optischen Eigenschaften und Reflektanzen der jeweiligen Gittersäule aufgeweicht, und folglich sind keine Rückschlüsse auf die lokale Rekonstruktionsqualität möglich. Um
auf entsprechende Effekte einzugehen, wurden für die Analyse Wichtungsfelder unterschiedlicher Komplexität aus Photonenwegeigenschaften generiert, um diese zur Wichtung der Abweichungen der Wolkeneigenschaften zu nutzen. Der Anteil der erklärten Varianz konnte jedoch durch die Nutzung der entsprechenden Wichtungsfelder nicht erhöht werden.
Zusätzlich wurden Sensitivitätsstudien hinsichtlich einzelner Vorgaben der Untersuchung durchgeführt. Dazu wurden sowohl der Einfluss der räumlichen Auflösung der Wolken felder als auch die Vereinfachung oder Nichtbetrachtung einzelner Modellparameter analysiert. Eine Reduzierung der Auflösung einhergehend mit einem zuverlässigeren Sampling und reduzierten Photonentransport zwischen den Gittersäulen führte zu keinem direkteren Zusammenhang zwischen den Abweichungen der Reflektanzen und den Abweichungen der mikrophysikalischen Eigenschaften. Folglich existiert keine Auflösung, die die Anwendung des Verfahrens ermöglichen würde. Ebenso wurde gezeigt, dass die unzureichende Einbeziehung von Aerosolen bei den Strahlungstransfersimulationen einen Fehler verursachen kann, der in der Größe dem
Unterschied der Reflektanzen durch unzureichende Wolkenfeldrekonstruktion gleichkommt.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Wolken sich innerhalb der Grenzschicht des Aerosolmodells befinden. Entspechend sollte in solchen Situationen dem verwendeten Aerosolmodell besondere Beachtung geschenkt werden. Hingegen ist der Einfluss des Ansatzes, wie die Bodenreflektion beschrieben wird, eher gering. Dies mag an dem verwendeten Modell mit einer geringen Albedo in Kombination mit optisch dicken Wolken liegen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Unterschiede im Strahlungstransfer nicht zur Abschätzung der Rekonstruktionsqualität der Wolkenfelder herangezogen werden können. Um dem Ziel einer dreidimensionalen Wolkenfeldrekonstruktion näher zu kommen, könnten beim Rekonstruktionsteil Informationen aus zusätzlichen
Messungen als Vorgaben genutzt werden. Ebenso könnten Beobachtungsgeometrien, welche die Anwendung tomographischer Methoden erlauben, sowie zusätzliche Wellenlängen zur Validierung der Rekonstruktionsergebnisse verwendet werden.
Abstract
The objective of this study was to assess if new cloud datasets, namely horizontal fields of integrated cloud parameters and transects of cloud profiles becoming available from current and future satellites like MODIS and CloudSAT as weil as EarthCARE will allow for the reconstruction of three-dimensional cloud fields.
Because three-dimensional measured cloud fields do not exist, surrogate cloud fields were used to develop and test reconstruction techniques. In order to answer the question if surrogate cloud fields may represent real cloud fields and to evaluate potential constraints for cloud field reconstruction, statistics of surrogate cloud fields have been compared to statistics of various remote semüng retrievals. It has turned out that except for cloud droplet effective radius, which is too low, other cloud parameters are in line with parameters derived from measurements.
The reconstruction approach is divided into two parts. The first one deals with the reconstruction of the cloud fields. Three techniques with varying complexity are presented constraining the reconstruction by measurements to various degrees.
Whereas the first one applies only information of a satellite radiometer, the other two constrain the retrieval abo by profile information measured within the domain.
Comparing the reconstruction quality of the approaches, there is no superior algorithm performing better for all cloud fields. This might be ascribed to liquid water content profiles of the surrogate cloud fields elose to their adiabatic reference. Consequently, the assumption of adiabatic liquid water content profiles of the first scheme yields adequate estimates and additional information from profiles does not improve the reconstruetion.
The second part of the reconstruction approach addresses the reconstruction quality by comparing parameters of radiative transfer describing photon path statistics as weil as radiances. Therefore, three-dimensional radiative transfer simulations with a Monte Carlo code were carried out for the surrogate cloud fields as well as for the reconstructed cloud fields. It was assumed that deviations of the parameter simulated for the reconstructed cloud and the surrogate cloud field are smaller when reconstruction is more accurate. For parameter describing photon pathes it has been found that only deviations of geometrical pathlength statistics reflect the reconstruction quality to a certain degree. Deviations of other parameters like photon penetration depth do not allow for either assessing local differences in reconstruction quality by an individual reconstruetion scheme or to infer the most appropriate reconstruction scheme.
The differences in reflectances do also not enable to evaluate reconstruction quality. They prevent from gaining insight in local accuracy of reconstruction due to effects like horizontal photon transport weakening thc relations between microphysical as well as optical properties and radiances. In order to address these effects, grids of various complexity, derived by applying photon path properties, were used to weight deviations of cloud properties when analyzing the relationships. Unfortunately, there is no increase of explained variance due to the application of the weighting grids.
Additionally, the sensitivity of the results to the model set-up, namely the spatial resolution of the cloud fields as weil as the simplification and neglection of ancillary parameters, were analyzed. Though one would assume a strengthening of relationships between deviations of cloud parameters and deviations of radiances due to more reliable sampling and reduced inter-column transport of photons when column size increases, there is no indication for resolutions where an assessment of the reconstruction quality by means of reflectance deviations becomes feasible. It also has
been shown that inappropriate treatment of aerosols in the radiative transfer simulation impose an error comparable in magnitude to differences in reflectances due to inaccurate cloud field reconst ruct ion. This is especially the case when clouds are located in the boundary layer of the aerosol model. Consequently, appropriate aerosol models should be applied in the analysis. May be due to the low surface reflection and the high cloud optical depths, the representation of the surface reflection function seems to be of minor importance.
Summarizing the results, differences in radiative transfer do not allow for the assessment of cloud field reconstruction quality. In order to accomplish the task of cloud field reconstruction, the reconstruction part could be constrained employing
information from additional measurements. Observational geometries enabling to use tomographie methods and the application of additional wavelengths for validation might help, too.