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Zinner, Tobias (2005): Fernerkundung inhomogener Bewölkung und deren Einfluss auf die solare Strahlungsbilanz. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The influence of cloud inhomogeneity on the remote sensing of cloud parameters and the consequences for the determination of the radiation budget in the solar spectral range are studied. Standard techniques of remote sensing are based on simplifying assumptions on radiative transport: clouds are assumed to be homogeneous throughout each pixel and the interaction between pixels is neglected. The quantification of the resulting uncertainties is of major concern considering the potential of remote sensing for a global characterisation of clouds and their interaction with the radiation field. For this purpose, the three-dimensional radiative transport (using a Monte Carlo model) and remote sensing are simulated for a number of realistic cloud structures. The latter are based on high resolution measurements (15 m horizontal resolution) of marine stratus and stratocumulus from the airborne spectrometer CASI. The development of a novel method is described that allows for the derivation of a horizontal distribution of liquid water path, of a profile of microphysics, and of a realistic cloud top geometry. Based on these cloud structures a systematic investigation of a standard remote sensing technique for the simultaneous derivation of optical thickness and effective droplet size is conducted for different sensor geometries (resolution, viewing angle). While the systematic deviation for the optical thickness of overcast pixels is always lower than 5%, the bias increases for partially covered pixels (10-30%). In contrast, the uncertainty for individual pixels can reach more than 50%. The effective radius is systematically underestimated by 3 to 5%. If the solar part of the radiation budget, e.g. the scene reflection, is determined based on these data, deviations from the actual situation between 3 and 10% do occur.

Abstract

Der Einfluss von Wolkeninhomogenität auf die Fernerkundung von Wolkenparametern und die Konsequenzen für die Ableitung der solaren Strahlungsbilanz wird untersucht. Konventionelle Fernerkundung beruht auf vereinfachenden Annahmen über den Strahlungstransport: Zum einen wird die Bewölkung innerhalb eines Bildelementes als homogen betrachtet, zum anderen wird die Wechselwirkung zwischen benachbarten Bildelementen ausgeschlossen. Die Quantifizierung der daraus resultierenden Fehler ist von großer Bedeutung angesichts der Möglichkeiten, die die Fernerkundung für die globale Charakterisierung von Wolken und ihrer Wechselwirkung mit dem Strahlungsfeld bietet. Dazu wurde der dreidimensionale Strahlungstransport mit einem Monte Carlo Modell sowie die Fernerkundung für eine Anzahl realistischer Wolkenstrukturen simuliert. Diese wurden aus Messungen maritimen Stratus und Stratocumulus des flugzeuggetragenen Spektrometers CASI in hoher Auflösung (15 m) abgeleitet. Ein neuartiges Verfahren wurde entwickelt, das eine solche Ableitung der horizontalen Verteilung des Flüssigwasserpfades, eines Profils der Mikrophysik und einer realistischen Oberkantengeometrie ermöglicht. Auf der Basis dieser Wolkenstrukturen wurden systematische Untersuchungen eines Standard-Fernerkundungsverfahrens für verschiedene Sensorgeometrien (Auflösung, Blickwinkel) zur gleichzeitigen Bestimmung von optischer Dicke und effektivem Tröpfchenradius durchgeführt. Während die systematischen Fehler der optischen Dicke bei vollständig bedeckten Bildelementen unter 5% betragen, wachsen die systematischen Fehler für teilweise bedeckte Bildelement an (10-30%). Werte einzelner Bildelemente sind allerdings mit weit größerer Unsicherheit belastet (mehr als 50%). Der effektive Radius wird systematisch um 3 bis 5% überschätzt. Bei der Ableitung der solaren Strahlungsbilanz, z.B. der Reflexion einer Szene, aus diesen Daten ergeben sich Abweichungen von den tatsächlichen Verhältnissen von 3 bis 10%.