14
Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung mit Strahlung am Standort der Atmospheric Radiation Measurement Mobile Facility im Schwarzwald DACH 2010, Bonn 20. – 24. 9. 2010 Kerstin Ebell 1 , S. Crewell 1 , U. Löhnert 1 , D. D. Turner 2 and E. J. O’Connor 3,4 1 Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln 2 University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, USA 3 University of Reading, Reading, UK 4 Finnish Meteorological Institute, Helsinki, Finland

3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

Cha

rakt

eris

ieru

ng v

on W

olke

n un

d ih

rer W

echs

elw

irkun

g m

it S

trahl

ung

am S

tand

ort d

er A

tmos

pher

icR

adia

tion

Mea

sure

men

tMob

ile F

acili

tyim

Sch

war

zwal

d

DA

CH

201

0, B

onn

20. –

24. 9

. 201

0

Ker

stin

Ebel

l1 , S

. Cre

wel

l1 , U

. Löh

nert1

, D. D

. Tur

ner2

and

E. J

. O’C

onno

r3,4

1 In

stitu

tfür

Geo

phys

ikun

d M

eteo

rolo

gie,

Uni

vers

itätz

uK

öln

2U

nive

rsity

of W

isco

nsin

-Mad

ison

, Mad

ison

, Wis

cons

in, U

SA

3 U

nive

rsity

of R

eadi

ng, R

eadi

ng, U

K4

Finn

ish

Met

eoro

logi

cal I

nstit

ute,

Hel

sink

i, Fi

nlan

d

Page 2: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

2D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Ein

leitu

ng

Wol

ken

habe

n ei

nen

star

ken

Ein

fluss

auf

die

Um

verte

ilung

der

Ene

rgie

in

der

Atm

osph

äre

Wec

hsel

wirk

ung

zwis

chen

Wol

ken

und

Stra

hlun

g no

ch n

icht

gut

ve

rsta

nden

(IP

CC

, 200

1, 2

007)

bess

eres

Ver

stän

dnis

dur

chrä

umlic

h ho

chau

fgel

öste

Beo

bach

tung

en

wol

kenm

akro

-und

wol

kenm

ikro

phys

ikal

isch

er E

igen

scha

ften

Mes

sung

en d

er A

RM

Mob

ile F

acili

ty(A

MF)

und

der

MW

R d

er U

nive

rsitä

t Köl

nvo

m 1

. 4. –

31.1

2.20

07

im M

urgt

al, S

chw

arzw

ald

Vie

lzah

l akt

iver

und

pas

sive

rFe

rner

kund

ungs

inst

rum

ente

erla

ubt

Cha

rakt

eris

ieru

ng d

er W

olke

nim

neu

nmon

atig

en M

essz

eitra

umS

trahl

ungs

trans

portr

echn

unge

n:U

nter

such

ung

des

Effe

ktes

der

Wol

ken

auf S

trah

lung

sflü

sse

und

Hei

zrat

en+

Abs

chät

zung

von

Uns

iche

rhei

ten

Atm

osph

eric

Rad

iatio

nM

easu

rem

ent

Prog

ram′s

Mob

ile F

acili

ty

Page 3: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

3D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Übe

rblic

k

Prof

ilinf

orm

atio

n üb

er d

as A

uftr

eten

vo

n H

ydro

met

eore

nC

loud

net

Targ

etK

lass

ikat

ion

aus

Wol

ken-

rada

r, Li

dar,

Mik

row

elle

nrad

iom

eter

, R

adio

-so

nde,

NW

V-M

odel

l, R

egen

sens

or

Tem

pera

tur-

&

Feuc

htep

rofil

e•i

nter

polie

rteR

SP

rofil

e•e

rgän

ztdu

rch

NW

V-M

odel

l•F

euch

tepr

ofil

skal

iert

mit

MW

RIW

V

Was

serw

olke

n•L

WC

aus

Rad

arZ-

LWC

B

ezie

hung

(Fox

& Il

lingw

orth

, 19

97) s

kalie

rt m

it M

WR

LWP

•ref

f,liq

para

met

risie

rtau

s LW

C(F

risch

et a

l.,19

95; M

iles

et

al.,

2000

)

Eisw

olke

n•C

loud

net I

WC

aus

Rad

arZ-

IWC

-T (H

ogan

et a

l., 2

006)

•ref

f,ice

als

Funk

tion

der

Tem

pera

tur(

Ivan

ova

et a

l.,

2000

)

1D-S

trah

lung

stra

nspo

rtm

odel

lR

RTM

GB

erec

hnun

g vo

n LW

und

SW

S

trahl

ungs

fluss

dich

ten

und

Hei

zrat

en

Aer

osol

•AO

D u

ndAn

gströ

m-

expo

nent

aus

MFR

SR

Mes

sung

en•E

infa

chst

reua

lbed

o un

d A

sym

met

riefa

ktor

von

ur

bane

m A

eros

ol(H

ess

et

al.,

1998

)

Bod

enal

bedo

•dire

kte

und

diffu

se s

olar

e A

lbed

o au

s S

trahl

ungs

-m

essu

ngen

(Yan

g et

al.,

200

8)

Stra

hlun

gflü

sse

am B

oden

•Mes

sung

en

(P

yran

omet

er, P

yrge

omet

er)

•„cl

ear s

ky e

stim

ate“

-Pro

dukt

vo

n Lo

ng u

nd A

cker

man

(200

0)

und

Long

und

Tur

ner (

2008

):S

chät

zung

der

wol

kenf

reie

n S

trahl

ungs

flüss

e (a

uch

im

bew

ölkt

en F

all)

Effe

kt v

on W

olke

n au

f Str

ahlu

ngsf

lüss

e un

d H

eizr

aten

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tik

Str

ahlu

ngss

chlie

ßung

C

RE

Zu

sam

men

fass

ung

A

usbl

ick

Page 4: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

4D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Dat

enve

rfügb

arke

it

# P

rofil

e de

r Clo

udne

t Tar

get K

lass

ifika

tion

in 9

-mon

atig

em Z

eitra

um: 7

68.8

38

Dat

ensa

mpl

e (th

erm

odyn

amis

che

Pro

file

+ W

olke

npro

file)

: 36

4.85

0 P

rofil

e (4

7% d

er u

rspr

üngl

iche

n D

aten

)

Qua

lität

sfilt

er: P

rofil

e w

erde

n au

sges

chlo

ssen

, wen

nM

WR

Dat

en n

icht

ver

fügb

ar s

ind

(kei

ne M

essu

ngen

, R

egen

, Tau

) ode

r M

WR

IWV

nic

ht k

onsi

sten

t ist

mit

dem

GP

S IW

V o

der

IWC

nic

ht v

erlä

sslic

h is

tbe

stm

öglic

her

Dat

ensa

tz

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tikSt

rahl

ungs

schl

ießu

ng

CR

E

Zusa

mm

enfa

ssun

g

Aus

blic

k

sl/m

l: ei

n-/m

ehrs

chic

htig

wc:

Was

serw

olke

ic: E

isw

olke

mc:

Mis

chw

olke

Page 5: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

5D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Mik

roph

ysik

alis

che

Eig

ensc

hafte

n (D

aten

sam

ple)

Med

ian

LWP

(gm

-2):

37.5

(alle

Wol

ken)

35.4

(SL

WC

)50

.0 (M

L W

C)

62.8

(SL

MC

)62

.6 (M

L M

C)

Med

ian

IWP

(gm

-2):

0.1

(alle

Wol

ken)

7.1

(SL

IC)

10.9

(ML

IC)

0.5

(SL

MC

)2.

4 (M

L M

C)

Med

ian

r_ef

f,liq

(μm

):5.

3 (a

lle W

olke

n)5.

4 (S

L W

C)

4.9

(ML

WC

)5.

5 (S

L M

C)

5.3

(ML

MC

)

Med

ian

r_ef

f,ice

(μm

):31

.1 (a

lle W

olke

n)29

.1 (S

L IC

)29

.0 (M

L IC

)35

.3 (S

L M

C)

31.2

(ML

MC

)

010

2030

40r_

eff,i

ce / μm

02468101214 Height above surface / km

0.0

0.1

0.5

0.6

0.4

LWC

/ gm

-30.

20.

302468101214 Height above surface / km

02468101214 Height above surface / km

020

3040

r_ef

f,liq

/ μm

1002468101214 Height above surface / km0.00

010.

001

0.1

1IW

C /

gm-3

0.01

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tikSt

rahl

ungs

schl

ießu

ng

CR

E

Zusa

mm

enfa

ssun

g

Aus

blic

k

Page 6: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

6D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Ver

glei

ch S

trahl

ungs

fuss

am

Bod

en

5-m

in. M

ittel

# de

r Pro

file

5,87

1B

ias

/ W

m-2

−38.

2St

anda

rdab

w. /

Wm

-213

6.5

Erkl

ärte

Var

ianz

0.61

Beo

b. M

ittel

wer

t / W

m-2

284.

5B

ias

/ W

m-2

6.5

Stan

dard

abw

./ W

m-2

11.9

Erkl

ärte

Var

ianz

0.83

Beo

b. M

ittel

wer

t / W

m-2

351.

4

kurzwellig langwellig

•im

wol

kenf

reie

n Fa

ll: m

ittle

re A

bwei

chun

g kl

eine

r al

s 2

% (k

urzw

ellig

) und

4 %

(lan

gwel

lig)

•Ve

rgle

ich

bew

ölkt

er F

all:

5-m

in M

ittel

, in

dene

n m

ind.

90%

alle

r Pro

file

bew

ölkt

sin

d•

mitt

lere

n U

nter

schi

ede

in S

W u

nd L

W s

ind

klei

ner

als

33 b

zw. 3

%•

größ

ten

Unt

ersc

hied

e du

rch

horiz

onta

l in

hom

ogen

e / d

urch

broc

hene

Wol

kenf

elde

r

kurz

wel

lig,

alle

Wol

ken

lang

wel

lig,

alle

Wol

ken

020

040

060

080

010

00O

bser

ved

SW fl

ux /

Wm

-2

200

300

400

500

Obs

erve

d LW

flux

/ W

m-2

0

200

400

600

800

1000

Calculated SW flux / Wm-2

500

400

300

200

Calculated LW flux / Wm-2

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tik

Str

ahlu

ngss

chlie

ßung

CR

E

Zusa

mm

enfa

ssun

g

Aus

blic

k

Page 7: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

7D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Ver

glei

ch S

trahl

ungs

fluss

am

Bod

en –

Bed

ecku

ngsg

rad

besc

hrän

ke A

naly

se a

uf h

oriz

onta

l hom

ogen

ere

Bew

ölku

ng

Unt

ersc

hied

e zw

isch

en M

odel

l un

d B

eoba

chtu

ngen

wer

den

deut

lich

verr

inge

rt

-40

Bias SW flux / Wm-2

-30

-20

-10

2Bias LW flux / Wm-2

46

100

STDDEV SW flux / Wm-2

120

140

160 80

kurz

wel

ligla

ngw

ellig

Standardabw. BIASD

aten

und

Ret

rieva

l W

olke

nsta

tistik

S

trah

lung

ssch

ließu

ngC

RE

Zu

sam

men

fass

ung

A

usbl

ick

> 40

> 60

Bed

ecku

ngsg

rad

/ %

> 20

> 80

> 10

0

STDDEV LW flux / Wm-2

12 11 10 9

> 40

> 60

Bed

ecku

ngsg

rad

/ %

> 20

> 80

> 10

0

SL W

C, c

lc >

90

%SW

LWB

ias

/ Wm

-2-1

01

Stda

bw. /

Wm

-250

4

Page 8: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

8D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Clo

ud ra

diat

ive

effe

ct (C

RE

)

CR

E =

FN

ET,

CLO

UD-F

NET

,CLE

AR(in

Wm

-2)

CR

EA

TM=C

RE

TOA-C

RE

SFC

Mitt

lere

r, m

onat

liche

r CR

E a

m B

oden

(B

eoba

chtu

ngen

min

us „c

lear

sky

est

imat

es“)

# (1

5-m

inIn

terv

alle

)SW

LWN

ET

SL W

C65

9 58 202

378

398

2514

56−3

6

ML

WC

−92

−182 −27

−15

−75

72−1

10SL

IC23

−4M

L IC

14−1

SL M

C59

−16

ML

MC

−189

73−1

16

Mitt

lere

r CR

E a

m B

oden

( Wm

-2)

für v

ersc

hied

ene

Wol

kent

ypen

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tik

Str

ahlu

ngss

chlie

ßung

C

RE

Zusa

mm

enfa

ssun

g

Aus

blic

k

Page 9: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

9D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

CR

E v

on e

insc

hich

tigen

Was

serw

olke

n

verw

ende

RR

TMG

Erg

ebni

sse

um S

FC, T

OA

und

ATM

CR

E z

u be

stim

men

Was

serw

olke

n: N

etto

effe

kt K

ühlu

ng

Uns

iche

rhei

ten

in d

en In

putp

aram

eter

n U

nsic

herh

eite

n im

CR

ES

ensi

tivitä

tsst

udie

n:LW

C-P

rofil

wird

var

iiert

um M

AX

[22

gm-2

, 30%

], r_

eff,l

iq w

ird v

ariie

rt um

MA

X[1μm

, 25%

]

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tik

Str

ahlu

ngss

chlie

ßung

C

RE

Zusa

mm

enfa

ssun

g

Aus

blic

k

(Wm

-2)

SWLW

NET

TOA

−93

10

−83

ATM

13−6

0−4

6

SFC

−106

70−3

5

(max

. Uns

iche

rhei

ten

in %

)(2

5)(2

5)(2

5)

(21)

(23)

(23)

(24)

(23)

(39)

Clo

ud ra

diat

ive

effe

ct

Page 10: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

10D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

10100

Rel. uncertainty in normalizedSW CRE at surface / %

aufgrund

LWP

Uns

iche

rhei

tr_

eff,l

iq U

nsic

herh

eit

010

020

030

040

050

0LW

P / g

m-2

CR

E-U

nsic

herh

eit v

on e

insc

hich

tigen

Was

serw

olke

n

wen

n LW

P k

lein

ist (

< 70

gm

-2),

Uns

iche

rhei

t in

LWP

dom

inie

rt U

nsic

herh

eit i

m C

RE

wen

n LW

P g

röße

r ist

, Uns

iche

rhei

t im

CR

E g

leic

herm

aßen

dur

ch

Uns

iche

rhei

t in

LWP

und

r_ef

f,liq

be

ding

tge

naue

Ken

ntni

s vo

n LW

P u

nd

r_ef

f,liq

ist e

ssen

tiell

für

Bes

timm

ung

des

CR

E

Rel

ativ

e U

nsic

herh

eit d

es n

orm

alis

iert

enSW

CR

E am

Bod

en

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tik

Str

ahlu

ngss

chlie

ßung

C

RE

Zusa

mm

enfa

ssun

g

Aus

blic

k

Page 11: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

11D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Zusa

mm

enfa

ssun

g

Kom

bina

tion

vers

chie

dens

ter M

essm

etho

den

Ers

tellu

ng e

ines

hoc

hwer

tigen

9-m

onat

igen

Dat

ensa

tzes

von

at

mos

phär

isch

en P

rofil

en (t

herm

odyn

amis

ch, w

olke

nmik

roph

ysik

alis

ch)

erla

ubt d

ie U

nter

such

ung

der W

echs

elw

irkun

g vo

n W

olke

n un

d S

trahl

ung,

Mod

elle

valu

ieru

ng, P

roze

ssst

udie

n

Eis

und

Flü

ssig

was

ser t

rete

n m

eist

gem

eins

am a

uf:

28 %

des

Unt

ersu

chun

gsze

itrau

mes

eins

chic

htig

e W

asse

rwol

ken

der z

wei

thäu

figst

e Ty

p: 1

6 %

alle

r Wol

ken

Ret

rieva

l von

Wol

kene

igen

scha

ften

in k

ompl

exen

Wol

kens

ituat

ione

nsc

hwie

rig

Kom

bina

tion

mit

Sat

ellit

enda

ten

notw

endi

gW

asse

rwol

ken

im D

aten

sam

ple

gut r

eprä

sent

iert

Foku

s au

f ein

schi

chtig

en W

asse

rwol

ken:

Med

ian

LWP

35

gm-2

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tik

Str

ahlu

ngss

chlie

ßung

C

RE

Zu

sam

men

fass

ung

Aus

blic

k

Page 12: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

12D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Zusa

mm

enfa

ssun

g II

Stra

hlun

gsch

ließu

ng:

im L

angw

ellig

en s

ehr g

ut,

größ

te U

nter

schi

ede

im S

olar

en b

ei d

urch

broc

hene

r Bew

ölku

ng,

gute

Übe

rein

stim

mun

g in

bed

eckt

en W

olke

nfäl

len

Clo

ud ra

diat

ive

effe

ct is

t seh

r sen

sitiv

bez

gl. U

nsic

herh

eite

n in

LW

P

und

Effe

ktiv

radi

usS

ensi

tivitä

t nim

mm

t zu

klei

nere

n LW

P-W

erte

n hi

n zu

Sen

sitiv

ität b

ezgl

. Uns

iche

rhei

ten

in L

WP

und

Effe

ktiv

radi

us

verg

leic

hbar

für L

WP

> 1

00 g

m-2

Uns

iche

rhei

t im

CR

E v

on e

insc

hich

tigen

Was

serw

olke

n bi

s zu

40%

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tik

Str

ahlu

ngss

chlie

ßung

C

RE

Zu

sam

men

fass

ung

Aus

blic

k

Page 13: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

13D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Aus

blic

k

Ana

lyse

des

Effe

ktes

der

Wol

ken

auf H

eizr

aten

inkl

. Sen

sitiv

itäts

stud

ien

zur A

bsch

ätzu

ng d

er U

nsic

herh

eit

Pot

enzi

al u

m m

ikro

phys

ikal

isch

e W

olke

npro

file

zu v

erbe

sser

n un

d U

nsic

herh

eite

n zu

ver

ringe

rn:

Inte

grat

ed P

rofil

ing

Tech

niqu

e (L

öhne

rt, 2

001,

200

4):

MW

R+W

olke

nrad

ar+a

prio

ri

LWC

-, T-

, q-P

rofil

e +

Fehl

erM

IXC

RA

retri

eval

(Tur

ner,

2007

):M

WR

+ s

pekt

rale

IR M

essu

ngen

LW

P, r

_eff,

liqK

ombi

natio

n be

ider

Met

hode

nE

inbe

zug

von

Sat

ellit

enm

essu

ngen

: hoh

e W

olke

n kö

nnen

bes

ser

erfa

sst w

erde

n

Dat

en u

nd R

etrie

val

Wol

kens

tatis

tik

Str

ahlu

ngss

chlie

ßung

C

RE

Zu

sam

men

fass

ung

A

usbl

ick

Page 14: 3,4 Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung ... · SL WC, clc > 90 % SW LW Bias / Wm-2-10 1 Stdabw. / Wm-2 50 4. 8 DACH 2010, Ebell Cloud radiative effect (CRE) et al

14D

AC

H 2

010,

Ebell

et a

l.

Vie

len

Dan

k fü

r die

Auf

mer

ksam

keit!