Satellite Cloud Property Retrieval in the O2 A Band: Inclusion of Cloud Vertical Extinction Profiles

Abstract

Clouds play a vital role in the Earth’s energy balance through their interaction with radiation. Depending on the cloud properties the net effect on the climate can be either cooling or warming. In order to assess the role of clouds in a changing climate long-term measurement of clouds on a global scale are necessary. Satellite remote sensing meets the requirements to deliver such data sets, resulting in long term climate data records including more than 30 years of satellite measurements. In this work the O2 A band technique for the retrieval of cloud properties will be studied in regard to the vertical extinction profile of clouds. Therefore, a sensitivity study is performed, which focuses on the influence of cloud vertical extinction profiles towards the satellite measured signal. A parametrization of the vertical profile, decomposed into extent and distribution of cloud optical depth (mode), is introduced, leading to a measurement algorithm with four retrievable parameters: cloud top pressure/height, cloud optical depth, cloud vertical extent and distribution of cloud optical depth/mode. The signal sensitivity is, for both newly introduced parameters, of a similar magnitude as for the cloud top height. However, the analysis of degree of freedom demonstrates that a simultaneous retrieval of all four variables is not feasible. Further, a preprocessor to the cloud property retrieval is developed with the purpose to support the retrieval through better a priori knowledge of the measurement. Therefore, the texture of an imager pixel and its vicinity is analysed using the grey-level co-occurrence method. In a second step the derived textural features are utilized in a random forest classifier to assign a class, which is either based on classical cloud types or discrete groups of cloud vertical extent or mode. On top of that, the newly developed cloud property retrieval was evaluated with the help of cloud radar measurements in the form of a case study. Special focus was on the quality of the retrieved cloud parameters under differing restraints for the retrieval. The impact of a priori known cloud top heights was compared to cases of no a priori knowledge and a retrieval with non-variable cloud vertical extinction profile. Here, the technique shows promising results for the retrieval of cloud vertical vii extinction profiles, when the cloud top height is known from the start. Also, a validation study regarding the top of atmosphere flux retrieval included in CC4CL against CERES measurements was performed, showing the impact of differing cloud properties on the retrieved fluxes. Overall, this work studies the significant impact of vertical extinction profiles on the retrieval of cloud top heights as well as the possibility of a derivation of said profiles through passive remote sensing instruments.

Wolken spielen, durch ihre Interaktion mit Strahlung, eine wichtige Rolle in der Energiebalance der Erde. Ob der Effekt von Wolken auf das Klima kühlend oder wärmend ist, hängt dabei von den jeweiligen Wolkeneigenschaften ab. Um die Auswirkungen von Wolken im Klimawandel zu beurteilen sind globale, Langzeitmessungen notwendig. Die Satellitenfernerkundung ist in der Lage diese Zeitreihen zu liefern, was bereits zu Klimadatensätzen geführt hat die mehr als 30 Jahre an Satellitenmessungen beinhalten. In dieser Arbeit wird die Methode zur Ableitung von Wolkeneigenschaften mithilfe der O2 A Bande untersucht, vor allem hinsichtlich des Einflusses des vertikalen Extinktionsprofils der Wolke. Dafür wird zunächst eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, die speziell den Einfluss der vertikalen Verteilung der Wolke hinsichtlich des Messsignals am Oberrand der Atmosphäre untersucht. Das Vertikale Profil wird dafür parametrisiert dargestellt durch die vertikale Ausdehnung der Wolke und die Verteilung der optischen Dicke. Zeitgleich wird ein neues Ableitungsverfahren eingeführt, das im Gegensatz zum Klassischen O2 A Band verfahren vier Parameter bestimmt: den Wolkenoberkantendruck, die optische Dicke, die vertikale Ausdehnung und die Verteilung der optischen Dicke dargestellt durch die Mode. Hierbei zeigt sich, dass die Sensitivität des Signals zu den neu eingeführten Parametern eine ähnliche Größenordnung aufweist wie zum Wolkenoberkantendruck. Jedoch zeigt die Untersuchung der Freiheitsgrade, dass nicht alle vier Variablen mit dieser Methode gleichzeitig bestimmt werden können. Außerdem wurde ein Präprozessor entwickelt, der das neue Ableiteverfahren mit besseren a priori Wissen über die Messung unterstützen soll. Dafür wird für jeden Messpunkt und seine direkte Umgebung eine Texturanalyse mithilfe der Grauwertematrix-Methode durchgeführt. Die somit erhaltenen Textureigenschaften dienen als Eingabe für einen "Random-Forest" Klassifikator, der jeder Messung eine Klasse zuweist, die entweder auf klassischen Wolkentypen basiert oder durch diskrete Werte von vertikaler Ausdehnung oder Mode gegeben ist. In einem nächsten Schritt wird das neue Ableiteverfahren für Wolkeneigenschaften unter Zuhilfenahme von Messungen eines satellitenbasierten Wolkenradars evaluiert. Vor allem wird hierbei das Augenmerk auf die Qualität der abgeleiteten Wolkenparameter für verschiedene Einschränkungen des Verfahrens gerichtet. Dafür wird zum einen die Höhe der Wolkenoberkante durch das a priori Wissen als bekannt vorausgesetzt, zum anderen wird das Verfahren mit nur zwei veränderlichen Parametern ix durchgeführt, indem die Variabilität des vertikalen Profils entfernt wird. Als dritte Variante wird das Ableiteverfahren ohne Einschränkungen und Vorwissen durchgeführt. Die Ableitung des vertikalen Extinktionsprofils zeigt dabei vielversprechende Ergebnisse falls die Wolkenoberkantenhöhe vorher bereits bekannt ist. Außerdem werden die Strahlungsflüsse, die durch das Verfahren von CC4CL hergeleitet werden, am Oberrand der Atmosphäre mit CERES Messungen validiert. Dabei wird der Einfluss von unterschiedlichen Wolkenprodukten auf die Ableitung von globalen Strahlungsflüssen verdeutlicht. Insgesamt handelt diese Arbeit von dem Einfluss vertikaler Wolkenextinktionsprofile auf die Ableitung von Wolkenoberkantendrücken, verbunden mit der Untersuchung nach einer Ableitung jener Profile mit Satellitenfernerkundungsmessungen.