Fernerkundung des solaren aufwärtsgerichteten Strahlungsflusses über Wolken mit räumlich hochaufgelösten Satellitenmessungen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Wolken auf den kurzwelligen Strahlungshaushalt untersucht. Zu diesem Zweck ist die genaue Kenntniss des Strahlungsflusses über und unter den Wolken notwendig. Um den aufwärtsgerichteten Strahlungsfluss mit einer hohen räumlichen Auflösung zu bestimmen, eignen sich die spektral schmalbandig messenden Satelliteninstrumente wie zum Beispiel das MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), die eine räumliche Auflösung von 1km im Nadir besitzen. Satellitengetragende Radiometer messen die von einer beobachteten Szene in Richtung des Detektors reflektierte spektrale Strahldichte für eine begrenzte Anzahl von Beobachtungswinkeln, während der Strahlungsfluss alle Winkel benötigt. Ein Verfahren wurde entwickelt, welches erlaubt, die gemessende Strahldichte in einen kurzwelligen Strahlungsfluss umzurechnen. Die Basis des Verfahrens bildet eine Schmalband-zu-Breitband Umwandlung und Strahlungstransportsimulationen für die bidirektionale Reflektion. Die Genauigkeit des Verfahrens wurde mit den aus CERES-Messungen bestimmten solaren Strahlungsflüssen verglichen. Die generelle Übereinstimmung zwischen den MODIS und CERES Strahlungflüssen am Oberrand der bewölkten Atmosphäre zeigen eine Abweichung von 30 W/m² im Mittel. Mit dem abgeleiteten Strahlungsfluss wurde der indirekte Aerosoleffekt anhand von Einzelfallstudien für maritime Stratokumuluswolken untersucht. Hierfür wurde eine Kombination aus mehreren mikrophysikalischen MODIS-Produkten zur Charakterisierung der Wolken benutzt und mit Hilfe von Trajektorienrechnungen die Herkunft der Luftmasse klassifiziert. Die Auswertung bestärkt die Theorie des indirekten Aerosoleffektes. Außerdem wurde der abgeleitete Strahlungsfluss aus den MODIS- Messungen zur Validierung des regionalen Klimamodells BALTIMOS verwendet. Der Vergleich wurde für das gesamte Modellgebiet für das Jahr 2002 durchgeführt. Der Schwerpunkt wurde auf den Tages- und Jahresgang sowie auf die räumliche Verteilung gelegt. Die Ergebnisse zeigen im Mittel eine gute Übereinstimmung.

The central subject of this work is to improve the understanding of the role that clouds play in the modification the radiative energy flow within the Earth atmosphere system. One part of the aim to understand the cloud' effects relates to the quantification of the clouds' reflection of incoming sunlight back to space. To provide the cloud albedo with a high spatial resolution a narrowband instrument such as MODerate resolution Imaging Spectrometer (MODIS) is used. Because satellite radiometers can only measure radiances instantaneously in a limited number of viewing directions, whereas albedo or flux requires radiances from all angles. An algorithm is developed to convert each measured radiance to a radiative flux. The approach is based on narrow- to-broadband conversion and radiative transfer simulations for the bidirectional reflection. A validation is performed by comparison the derived shortwave flux from MODIS with those of the CERES instrument. The overall agreement between MODIS and CERES shortwave flux at top of the atmosphere above clouds shows an accuracy of 30 W/m². With the retrieved shortwave flux two case studies to the indirect aerosol effect are analysised which focused on stratucumulus clouds over the Atlantic Ocean. Therefor, the combination of different products from MODIS is used to characterise the cloud and a back trajectory algorithm to classify the origin of the airmass. The analysis could prove the hypothesis of the indirect aerosol effect. Furthermore the derived shortwave flux are used to improve the cloud scheme of a regional climate model (BALTIMOS). The comparison is performed for entire model domain trough the one year period 2002. The focus is on the diurnal and anual cyle as well as on the spatial distribution. The results are fairly similar to each other and both of them are within the range of observational uncertainty.