Stereo-Beobachtungen von Wolken zur Validierung von LES und zur Entwicklungen von Wolkenparameterisierungen (SOCLES)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt werden hochfrequente visuelle Bilder konvektiver Grenzschichtwolken von einem Netz mehrerer hemisphärischer Kameras an einem meteorologischen Standort mit hochauflösenden Ergebnissen von Large-Eddy-Simulationen (LES) kombiniert. Das Hauptziel besteht darin, die räumlichen und zeitlichen Strukturen solcher flachen Kumuluswolken besser zu verstehen und zu quantifizieren. Diese Wolkenfelder sind sehr heterogen und entwickeln sich schnell auf einer Vielzahl von Skalen, die von Turbulenz über mesoskalige Organisation bis hin zur täglichen Entwicklung und darüber hinaus reichen. Diese typischen, einzigartigen Merkmale von Grenzschichtkumuluswolken haben ihre Darstellung in numerischen Modellen für die Wettervorhersage und Klimasimulation erschwert. Wir nähern uns diesem Problem, indem wir die Synergie zwischen LES und Stereokamera-Beobachtungen nutzen und damit eine wichtige wissenschaftliche Datenlücke zu diesem Thema schließen. Die hochauflösende Abtastung der Stereo-Rekonstruktion in vier Dimensionen und ihre beträchtliche räumliche Abdeckung ermöglichen es uns, Kumuluswolkenpopulationen in einem noch nie dagewesenen Detailgrad zu erfassen, der mit vertikal ausgerichteten Instrumenten oder Satellitensensoren nicht erreicht werden kann. Die feinskaligen Modellsimulationen ergänzen die Beobachtungsdaten mit vierdimensionalen Daten. Dies ermöglicht die Bewertung des Modells anhand der Stereokamerabilder, aber auch das virtuelle Testen von Messstrategien, z. B. hinsichtlich der Dichte eines Stereokameranetzes. Ein wichtiger Schritt zur Erreichung dieser Ziele, der in diesem Projekt erfolgreich umgesetzt wurde, ist die Entwicklung eines speziellen Instrumentensimulationsalgorithmus, mit dem die Modellfelder in angemessener Weise mit den hemisphärischen Wolkenbildern verglichen werden können. Raytracing-Techniken, die aus dem realistischen Rendering von Landschaften und Szenen in der Spieltechnologie bekannt sind, werden auf die Modellwolkenfelder angewandt, wodurch virtuelle hemisphärische Bilder entstehen, die direkt mit den realen Bildern des Kameranetzes verglichen werden können. Der Algorithmus wurde für reale Wolkenfelder getestet, die während einer speziellen Kampagne am JOYCE-Meteorologiestandort in Jülich beobachtet wurden, wo ein Kameranetzwerk installiert und betrieben wurde. Die Analyse der Ergebnisse zeigte, dass i) der Raytracing-Algorithmus in der Lage ist, virtuelle Bilder von Modellwolken zu reproduzieren, die gut genug für eine dreidimensionale Wolkenrekonstruktion sind, und ii) der Algorithmus ein praktikables Werkzeug für die Bewertung der feinräumigen Geometrie von Wolkenfeldern in hochauflösenden Modellen anhand von Kameranetzdaten ist. Die wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts wurden auf Workshops und internationalen Konferenzen vorgestellt und in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Comparison of Cloud Motion Vector Profiles Derived from Ground-Based Hemispheric Stereocameras to Wind-Lidar Observations. Meteorologische Zeitschrift, 30(6), 503-513.
Beekmans, Christoph; Schween, Jan; Lennefer, Martin & Simmer, Clemens
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A Stereo Camera Simulator for Large‐Eddy Simulations of Continental Shallow Cumulus Clouds Based on Three‐Dimensional Path‐Tracing. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 16(3).
Burchart, Yannick; Beekmans, Christoph & Neggers, Roel
