System zur Fernerkundung der Aerosol-Wolken-Wechselwirkung
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsgroßgeräteantrags war der Aufbau eines neuen Systems zur Beobachtung der Wolken-Aerosol-Strahlungs-Wechselwirkung. Ein besseres Verständnis der Wolkenphysik und der Interaktion von Wolken und Strahlung ist unabdingbar für verbesserte Wetter- und Klimavorhersagen. Die Kombination von mittlerweile etablierten Wolkenradarbeobachtungen mit einem abbildendem Spektrometer und den am Institut entwickelten Lidar- und Sonnenphotometer-Systemen sollen neue Einblicke in Lebenszyklus und Mikrophysik von Wolken ermöglichen. Das Wolkenradar erschließt die dreidimensionale Struktur der Wolken. Die spektrale Messung der von Wolkenseiten reflektierten und emittierten Strahlung ist ein neuer Ansatz zur Bestimmung von Profilen der Wolkenmikrophysik (Partikelgröße, -typ und -phase als Funktion der Höhe). Die am Institut vorhandenen Lidar- und Sonnenphotometer-Messungen des Aerosols erlauben indirekte Rückschlüsse auf Kondensationskerne. Eine ähnliche Kombination von aktiven und passiven Messinstrumenten soll bei der EarthCARE-Mission der ESA (momentan geplant 2018) zum Einsatz kommen. Wie beantragt, wurde ein passives Wolkenspektrometer für den solaren und thermischen Spektralbereich und ein Wolkenradar beschafft, aufgebaut, charakterisiert und kalibriert. Radar und Spektrometer können das selbe Atmosphärenvolumen mit der enthaltenen Wolken und Aerosolsituation innerhalb kürzester Zeit synchron scannen. Neben dem Einsatz am Boden auf der Dachplattform der LMU München sowie bei drei Boden-Messkampagnen wurde das Spektrometer mittlerweile bei einer internationalen Flugmesskampagne ACRIDICON/CHUVA in Brasilien erfolgreich auf dem Forschungsflugzeug HALO eingesetzt. Der Name des Systems, „MACS“ (Munich Aerosol- und Cloudscanner) und insbesondere „specMACS“ für die Imagerkomponente hat sich in kürzester Zeit als „Marke“ in der community etabliert. Mit der Radarkomponente „miraMACS“ hat sich die Arbeitsgruppe auch in der community der europäischen mm-Wolkenradar Betreiber etabliert. Für diese neue Kombination von passiven und aktiven Wolken- und Aerosol-Messungen war die Entwicklung neuer Methoden und die Anpassung existierender Ansätze auf die speziellen Sensoren wichtiges Etappenziel auf dem Weg zu wissenschaftlichen Untersuchungen. Wichtige methodische Fortschritte bei boden-gebundener wie flugzeug-getragener Fernerkundung der Wolkengeometrie, von Profilen der flüssigen Wolkenmikrophysik und bei der Bestimmung der besonders komplexen Mikrophysik von Eiswolken wurden erzielt. Wichtigste wissenschaftliche Ergebnisse bisher: • Erste Ableitungsverfahren zur Mikrophysik dünner Eiswolken aus spektralen abbildenden Beobachtungen wurden entwickelt. Die spektrale Information sowie die räumliche Abbildung liefern entscheidende neue Erkenntnisse im Vergleich zu existierenden Filterradiometern bezüglich optischer Dicke, Partikelgröße, Partikeltyp und Eispartikel-Rauigkeit. • Ein innovatives Verfahren zur Ableitung von quantitativen Informationen über Eispartikelform aus Beobachtungen von Halo, Nebensonnen und ähnlichen Erscheinungen wurde entwickelt • Für die Interpretation der passiven Beobachtungen als Vertikalprofil ist eine Bestimmung der Wolkenentfernung unerlässlich. Für die Interpretation der spektralen passiven Messungen ist die Abschätzung der Wolken-Oberflächenorientierung von zentraler Bedeutung. Dazu wurden verschiedene Verfahren erprobt: (1) Eine Rekonstruktion der Wolkenoberfläche im Raum auf Basis von Wolkenradardaten für den bodengebundenen synchronisierten Einsatz specMACS/miraMACS; (2) Eine Ableitung des Wolkenabstands aus der Absorption in der O2A-Bande des Sauerstoffes für flugzeug-getragene Messungen ohne Radar-Verfügbarkeit. • Ein innovatives Verfahren zur Ableitung von Profilen der Wolkenphase und der Tröpfchengröße aus reflektierten solaren Spektren wurde entwickelt. Dazu wurden Ableitungsverfahren für den bodengebundenen und flugzeug-getragenen Einsatz maßgeschneidert für die spektralen Eigenschaften des Wolkenspektrometers aufgesetzt. Aktuell wird das System durch die Beschaffung eines Mikrowellenradiometers zu einer internationalen CloudNet-Station ergänzt. In 2016 wird specMACS mit Förderung durch das DFG-SPP/1294 HALO bei zwei Flugmeßkampagnen (NARVAL-2, NAWDEX) eingesetzt.
Publications
- 2015, Design and characterization of specMACS, a multipurpose hyperspectral cloud and sky imager, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 8, 9853-9925
Ewald F., T. Kölling, A. Baumgartner, T. Zinner, and B. Mayer
(See online at https://doi.org/10.5194/amt-9-2015-2016) - 2015, Reconstruction of cloud geometry using a scanning cloud radar, Atmos. Meas. Tech., 8, 2491-2508
Ewald, F., Winkler, C., and Zinner, T.
(See online at https://doi.org/10.5194/amt-8-2491-2015) - 2016, The ACRIDICON-CHUVA campaign: Studying tropical deep convective clouds and precipitation over Amazonia using the new German research aircraft HALO, Bulletin of the American Meteorological Society
Wendisch, M. et al.
(See online at https://doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00255.1)
