Verständnis von Wolken und Niederschlag auf Skalen unterhalb eines Kilometers durch HAMP
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unvollständiges Verständnis von Wolken, insbesondere bzgl. ihrer makrophysikalischen Eigenschaften und mikrophysikalischen Zusammensetzung, ist eine der Hauptursachen für die Unsicherheiten von Klimavorhersagen. Unser Wissen basiert im Wesentlichen entweder auf hochaufgelösten bodengebundenen Stationsmessungen ohne räumliche Abdeckung oder aufglobalen Satellitenmessungen mit schlechter räumlicher und zeitlicher Auflösung. Das Forschungsflugzeug HALO wurde mit der sogenannten NARVAL Instrumentierung als fliegendes Wolkenobservatorium ausgestattet um die Lücke zwischen diesen beiden Beobachtungssystemen zu schließen. Dies ist ein langfristiger Forschungsansatz, der die Durchführung einer Serie von Messkampagnen, die Erzeugung von wissenschaftlichen Datensätzen und deren zielgerechter wissenschaftlichen Auswertung erfordert. Das Projekt „Verständnis von Wolken und Niederschlag auf Skalen unterhalb eines Kilometers durch HAMP” hat zu diesen drei essentiellen Bereichen folgende Beiträge geleistet. Das Projektteam hat zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie und dem DLR das „HALO Microwave Package (HAMP)“ während den Kampagnen NARVAL-II und NAWDEX betrieben und an der Flugplanung mitgewirkt. Die Kalibration der Mikrowellenradiometer wurde im Detail untersucht und durch ein Korrekturverfahren anhand von Strahlungstransportsimulationen für Dropsonden-Messungen im wolkenfreien Fall verbessert. Einheitliche aufbereitetet Messdaten von 295 Flugstunden während 37 Flügen wurden mit einer Datenveröffentlichung frei verfügbar gemacht. Zur Ableitung von vertikal intergierten Wasserdampf- und Flüssigwassergehalten aus Mikrowellenmessungen wurde sowohl ein Regressionsverfahren als auch ein neuronales Netz entwickelt, das auch eine Schätzung des Regenwasserpfads erlaubt. Im Vergleich mit Messverfahren in anderen Wellenlängenbereichen zeigt sich der Mehrwert von Sensorsynergie: dünne Wolken mit einem LWP von weniger 20 gm^-2 können nur mit Hilfe des LIDARs richtig erkannt werden; der Wassergehalt dickererr Wolken mit einem LWP von mehr als 100 gm^-2 hingegen kann mit Unsicherheit von weniger al 10% aus den Mikrowellenmessungen bestimmt werden. Die Messungen des Wolkenradars von HAMP wurden zur Erstellung eines Datensatzes einzelner Wolken (Segmented Cloud Archive, SCA) genutzt. Die Eigenschaften der Wolken wurden genutzt um die Flüge in einzelnen Wolkenregime zu unterteilen und damit eine einheitliche statistische Auswertung zu ermöglichen. Mit Hilfe des SCA Datensatz wurde untersucht welche Einflussgrößen entscheiden, ob eine Wolke zu regnen beginnt. Als bester Indikator wurde die Wolkendicke nachgewiesen und der die Modellierung wichtige Schwellwert, ab welcher Dicke Wolken zu regnen beginnen, auf ca. 1 km bestimmt werden. Im Rahmen eines klimatologischen Vergleich der NARVAL-I South K und der NARVAL-II Messungen konnten die Auswirkungen von Trockenzeit und Regenzeit auf die Wolkenstatistik quantifiziert werden: Erwartungsgemäß verdoppelt sich der integrierter Wasserdampfgehalt annähernd bis auf Spitzenwerte von 60 kg m^-2. Überraschenderweise sinkt der Bedeckungsgrad in der Regenzeit deutlich auf 25 % ab und auch der mittlere LWP sinkt. Der höhere LWP in der Trockenzeit führt öfters zu leichtem Regen, wohingegen die wenigen Wolken der Regenzeit öfter Wolkeneis bilden und damit zu intensiverem Regen führen. Die im Rahmen von NARVAL-II entwickelten Verfahren, angefangen bei der Kalibration der Mikrowellenradiometer über die Ableitungsverfahren von Wassergehalten bis zu Segmentierung von Wolken, bilden die notwendige Basis für die Nachfolgekampagne EUREC4A.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017): “Characterization of Water Vapor and Clouds During the Next-Generation Aircraft Remote Sensing for Validation (NARVAL) South Studies.” IEEE J. Sel. Top. Appl. Earth Obs. Remote Sens., 10, 3114–3124
Schnitt, S., Orlandi, E., Mech, M., Ehrlich, A., and Crewell, S.
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(2017): “EUREC4A: A Field Campaign to Elucidate the Cou-plings Between Clouds, Convection and Circulation.” Surv. Geophys., 38, 1529–1568
Bony, S., Stevens, B., Ament, F., Bigorre, S., Chazette, P., Crewell, S., Delanoë, J., Emanuel, K., Farrell, D., Flamant, C., Gross, S., Hirsch, L., Karstensen, J., Mayer, B., Nuijens, L., Ruppert, J. H., Sandu, I., Siebesma, P., Speich, S., Szczap, F., Totems, J., Vogel, R., Wendisch, M., and Wirth, M.
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(2018): “The North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment.” Bull. Am. Meteorol. Soc., 99(8), 1607-1637
Schäfler, A., Craig, G., Wernli, H., Arbogast, P., Doyle, J. D., McTaggart-Cowan, R., Methven, J., Rivière, G., Ament, F., Boettcher, M., Bramberger, M., Cazenave, Q., Cotton, R., Crewell, S., Delanoë, J., Dörnbrack, A., Ehrlich, A., Ewald, F., Fix, A., Grams, C. M., Gray, S. L., Grob, H., Groß, S., Hagen, M., Harvey, B., Hirsch, L., Jacob, M., Kölling, T., Konow, H., Lemmerz, C., Lux, O., Magnusson, L., Mayer, B., Mech, M., Moore, R., Pelon, J., Quint-ing, J., Rahm, S., Rapp, M., Rautenhaus, M., Reitebuch, O., Reynolds, C. A., Sodemann, H., Spengler, T., Vaughan, G., Wendisch, M., Wirth, M., Witschas, B., Wolf, K., and Zinner, T.
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(2019): A unified data set of airborne cloud remote sensing using the HALO Microwave Package (HAMP), Earth System Science Data, 11, 921-934
Konow, H., M. Jacob, F. Ament, S. Crewell, F. Ewald, M. Hagen, L. Hirsch, F. Jansen, M. Mech, B. Stevens
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(2019): “A High-Altitude Long-Range Aircraft Configured as a Cloud Observatory: The NARVAL Expedition”, Bulletin of the American Meteorological Society, 100 (5), 1061–1077
Stevens, B., F. Ament, S. Bony, S. Crewell, S. Groß, L. Hirsch, B. Mayer, M. Wendisch, M. Wirth, S. Bakan, H.-M. Brück, A. Ehrlich, F. Ewald, D. Farrell, M. Forde, F. Gödde, H. Grob, M. Hagen, A. Hansen, M. Jacob, E. Jäckel, F. Jansen, C. Klepp, M. Klingebiel, H. Konow, M. Mech, G. Peters, M. Rapp, A. Wing, K. Wolf
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(2019): “Convective activity in an extratropical cyclone and its warm conveyor belt - a case study combining observations and a convection-permitting model simulation.” Q. J. Roy. Meteor. Soc., 406-1426
Oertel, A. Boettcher, M., Joss, H., Sprenger, M., Konow, H., Hagen, M., Wernli, H.
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(2019): “Improvement of Airborne Retrievals of Cloud Droplet Number Concentration of Trade Wind Cumulus Using a Synergetic Approach”, Atmos. Meas. Tech., 12, 1635-1658
Wolf, K., Ehrlich, A., Jacob, M., Crewell, S., Wirth, M., and Wendisch, M.
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(2019): “Investigating the liquid water path over the tropical Atlantic with synergistic airborne measurements”, Atmos. Meas. Tech., 12, 3237-3254
Jacob, M., F. Ament, M. Gutleben, H. Konow, M. Mech, M. Wirth, and S. Crewell
