Charakterisierung der raum-zeitlichen Entwicklung von Wolken, Aerosolen und Strahlung

Satelliten- und zusätzliche Daten werden genutzt, um Prozesse besser zu verstehen, die den Lebenszyklus von Wolken und deren Wechselwirkung mit Aerosolen und Strahlung bestimmen. Gewonnene Erkenntnisse werden zur Verifikation von Vorhersagemodellen genutzt.

Forschungsschwerpunkte

Die Satellitengruppe beschäftigt sich momentan mit folgenden Schwerpunkten:

  • Integration von Wolkenbeobachtung vom Boden und vom Weltraum zur Analyse von frontalen Wolkensystemen   Das Verständnis von Wolkenprozessen stellt eine der größten Herausfoderungen für die Atmosphärenforschung da. Die detailliertesten Beobachtungen werden derzeit an wenigen Ankerstation, z.B. LACROS, weltweit erhoben. Um diese Punktmessung von vertikalen Wolkenprofilen mit Satellitenmessung zu verknüpfen, wurde eine Methode entwickelt basierend auf ein Strahlungstransportmodel. Damit können mikro- und makrophysikalische Wolkeneigentschaften aus zwei unterschiedlichen Perspektiven konsistenz zusammengeführt werden. Basierend auf dieser Methode werden die zeitliche Entwicklung von Wolkensystemen untersucht.  
  • Verifikation von Modellvorhersagen. Da regionale Vorhersagemodelle und Satellitenbeobachtungen vergleichbare räumliche Auflösung haben, sind letztere besonders gut geeignet, um die Qualität von Vorhersagen zu bewerten. In unserer Arbeitsgruppe werden Meteosat-Daten verwendet, um mit Hilfe von objekt-basierten Methoden Vorhersagen von Sommerkonvektion zu verifizieren. Zusätzlich werden die Unsicherheiten von synthetischen Satelliten-Bildern und deren Nutzen für die Bewertung von Saharastaub-Vorhersagen untersucht.

  • Optischen Eigenschaften von Aerosole mit mobile schiffsgestützten Messungen. Dafür wurde ein multispektrales Radiometer (GUVis-3511) eingesetzt, um die abwärts gerichtete, globale Bestrahlungsstärke für 19 Wellenlängen zwischen 300nm und 1700nm zu messen. Hierzu wurde ein dynamisches Schattenband entwickelt und eingesetzt, welches eine enorme Funktionserweiterung für das Radiometer bietet. So kann man die abwärts gerichtete globale Bestrahlungsstärke in ihren direkten und diffusen Anteilen aufspalten und die optischen Eigenschaften von Aerosolen in der Atmosphäre mit einem einzigen Sensor beobachten. Das Instrument ist in die OCEANET-Plattform integriert. [link GUVis and OCEANET Website; cite Witthuhn 2017 and Witthuhn 2020]

  • Simulation von Strahlungseffekten von Wolken und Aerosolen. Um die Strahlungswirkung von Wolken und Aerosolpartikeln zu untersuchen, wird ein auf Python basierendes Framework zur Durchführung von Strahlungstransfersimulationen entwickelt. T-CARS (TROPOS - Cloud and Aerosol Radiative effect Simulator) basiert auf 1D-Strahlungstransfermodellen und ist so konzipiert, dass es Antriebsdaten aus einer Vielzahl von Quellen wie CloudNet [https://www.tropos.de/en/research/projects-infrastructures-technology/coordinated-observations-and-networks/cloudnet], Reanalysedatensätzen, Satelliten- und bodengestützten Beobachtungen erhält. [link Barlakas 2020, Witthuhn 2021, Barrientos 2021] 

  • Variabilität der Wolkenregimes über Europa. Die Basis dieser Studie sind Satellitenbeobachtungsdaten der MSG SEVIRI-Wolken des CLAAS-2.1-Datensatzes. Deren optischen Eigenschaften werden als Grundlage für die Ableitung von Wolkenregimes über Europa durch die Anwendung des K-Means-Clustering-Algorithmus verwendet. Die räumlich-zeitliche Variabilität der Wolkenregime auf verschiedenen Skalen wird ebenso untersucht wie die Unterschiede zu bestehenden globalen Wolkenregime-Klimatologien. Darüber hinaus werden Zusammenhänge zwischen den abgeleiteten Wolkenregimen und Großwetterlagen durch Vergleiche mit der objektiven Wettertypen-Klassifikation untersucht.

  • Lebenszyklus flacher Cumulus-Felder. Ziel ist die Charakterisierung der Lebenszyklen von flachen Cumulus-Wolkenfeldern von der Entstehung bis zur Wolkenauflösung. Mithilfe von geeigneten Tracking-Methoden werden Wolkenfelder während ihrer Entwicklung verfolgt und ihre physikalischen und geometrischen Wolkeneigenschaften abgeschätzt. Statistische Parameter wie Wolkengrößenverteilung und mittlere Lebensdauer werden mit Simulationen hochauflösender Modelle verglichen.

  • Charakterisierung der Auslösemechanismen und des Wachstums von tiefen konvektiven Wolken. In der Initiierungs- und Wachstumsphase von tiefen konvektiven Wolken führt ein komplexes Zusammenspiel von Faktoren wie lokalen Hebungsprozessen, Inversionsschichten und verfügbarer Feuchte zur Ausbildung von schweren Gewittern. Mit Hilfe von Meteosat-Daten werden dynamische und mikrophysikalische Eigenschaften entlang des Lebenszyklus von wachsenden Wolken zusammengestellt und in Hinblick auf Auslösemechanismen untersucht. 
  • Mikrophysikalische Eigenschaften von Gewittern und deren Relation zu Blitz- und Hagelerscheinungen. Mit Hilfe von Niederschlags-Radardaten, Blitz-Detektionen sowie Satellitendaten und abgeleitenen Wolkeneigenschaften wird die zeitliche Entwicklung von Gewittern in ihren Hauptphase untersucht. Indikatoren und Prädiktoren für Gewitterschwere werden anaylsiert.