Zusammenfassung
Verschiedene Möglichkeiten zur Fernerkundung der Basistemperatur konvektiver Wolken über
dem Ozean aus Daten des satellitengetragenen Infrarotradiometers AVHRR werden untersucht.
Durch Vorgabe unterschiedlicher Wolkenbasistemperaturen, Wolkentröpfchengrößenverteilungen
sowie der weiteren für den Strahlungstransport relevanten atmosphärischen Parameter wird
ein Datensatz erstellt, der den Bereich meteorologischer Bedingungen bei polaren
Kaltluftausbrüchen umfaßt. Mit Hilfe eines eindimensionalen Strahlungsübertragungsmodells
werden für jede Atmosphäre dieses Datensatzes die von den spektralen Kanälen des AVHRR
meßbaren Strahldichten simuliert.
Die optische Dicke von Wolken kann abgeschätzt werden, wenn sie zumindest in einem Kanal
noch einen Teil der Wärmestrahlung des Ozeans zum Satelliten durchlassen. Für solche
semitransparenten Wolken ist der Rückschluß von den Strahldichten am Außenrand der
Atmosphäre auf die Temperatur der Wolkenbasis möglich. Es wird eine Methode vorgestellt, mit
der zunächst in AVHRR-Aufnahmen vollständig mit semitransparenten Wolken gefüllte
Bildelemente entdeckt werden können. Die physikalische und statistische Interpretation der
Modellergebnisse liefert zwei für Tag- und Nachtbedingungen unterschiedliche Verfahren zur
Ableitung der Wolkenbasistemperatur. Die Standardfehler liegen dabei für den auf drei Kanälen
basierenden Nachtalgorithmus unter 2oC und für das Verfahren bei Tage mit zwei
Kanälen unter 4oC. Bei Anwendung dieser Methoden auf Satellitenmessungen ergeben
sich im Vergleich mit Auswertungen von Radiosondendaten Unterschiede ähnlicher
Größenordnung. Dafür ist aber die Mittelung der Ergebnisse mehrerer Bildelemente
notwendig.
Die Bedeutung der Wolkenbasistemperatur für die Strahlungsbilanz der Ozeanoberfläche wird
mit Strahlungstransportrechnungen abgeschätzt. Diese zeigen, daß sich wegen der geringen
Absorbermengen unterhalb der polaren Grenzschichtwolken die langwellige abwärts
gerichtete Strahlungsflußdichte an der Ozeanoberfläche bei bedecktem Himmel um bis zu
90 W/m2 gegenüber unbewölkten Situationen erhöhen kann. Auf eine Variation der
Wolkenbasistemperatur reagiert sie mit Veränderungen um 2 W/(m2K).
Abstract
The possibility to derive the cloud base temperature by remote sensing
for convective cloudfields over oceans with the spaceborne infrared radiometer AVHRR is investigated.
First, a set of atmospheric data for polar cold air outbreaks is prescribed, containing different cloud base
temperatures, cloud droplet size distributions, and other parameters
influencing the radiative transfer properties. Top of
the atmosphere radiances are then calculated with the help of a one-dimensional
adding and doubling model of radiative transfer in order to simulate the
expected signals in the thermal infrared channels of the AVHRR.
A method to detect pixels totally covered with semitransparent clouds is presented.
The optical depth of those clouds can be estimated, because part of
the radiance of the warm ocean
can penetrate through the clouds in at least one channel. For such
clouds the base temperature is infered from top of the atmosphere radiances.
The physical and statistical interpretation of the model results suggests two
different methods to derive cloud base temperatures for day and night
conditions. The night algorithm is based on all three thermal infrared
channels and yields a root mean square error (RMS)
of 2 K. For daytime scenes RMS increases to 4 K, because only
two channels can be used.
Differences of similar magnitude occur, if these methods are applied
to real satellite data and are compared with radiosoundings.
However, averaging over several satellite pixels is necessary.
Finally, the effect of cloud base temperature on the radiation budget of the
ocean surface is estimated. Results of radiative transfer calculations show an
increase of longwave downward flux densities by up to 90 W/m^2 for the
cloud covered sky as compared to cloudless conditions. This considerable
increase is due to the low water vapour amount in polar boundary layers. The
sensitivity of the longwave net flux density to cloud base temperature
is about 2 W/m^2 per Kelvin.