Remote sensing of the diurnal cycle of optically thin cirrus clouds

Eiswolken und insbesondere hohe Zirruswolken bedecken im globalen jahrlichen Mittel bis zu 30 % der Erde und haben deshalb einen signifikanten Einflus auf das Klima. Eine Besonderheit hoher Eiswolken ist, dass sie einen warmenden Effekt auf das System Erde und Atmosphare besitzen konnen. Dieser warmende Effekt wird u. a. durch tagliche und saisonale Variationen der optischen Eigenschaften beeinflust. Um genaue Messungen der optischen Eigenschaften von Aerosolen und Zirruswolken zu erhalten, wurde 2006 die "Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations" (CALIPSO) Mission in einen polaren Orbit gestartet. Mit Hilfe des Hauptinstrumentes, des "Cloud- Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization" (CALIOP), konnen nun optische Eigenschaften von Aerosol- und dunnen Wolkenschichten mit bisher unerreichter Genauigkeit und Sensitivitat bestimmt werden. Allerdings erlaubt dieser Orbit mit einer Wiederkehrdauer von mehr als zwei Wochen keine Ableitung von Tagesgangen der optischen Eigenschaften und des Bedeckungsgrades von Zirruswolken, weshalb in dieser Arbeit der Wolkensensor "Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager" (SEVIRI) auf dem geostationaren "METEOSAT Second Generation" (MSG) Satelliten benutzt wird. SEVIRI deckt mit seinen Messungen fast ein Drittel der Erde ab und reicht von 80 N bis 80 S und von 80 W bis 80 E bei einer raumlichen Auflosung von bis zu 3 km x 3 km im Nadir und einer zeitlichen Auflosung von 15 Minuten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein ganzlich neuer Ansatz verfolgt, um die Vorteile beider Instrumente (die hohe Sensitivitat und Genauigkeit von CALIOP und die hohe zeitliche und raumliche Auflosung von SEVIRI) miteinander zu verbinden: Der "Cirrus Optical properties derived from CALIOP and SEVIRI during day and night" (COCS) Algorithmus basiert auf dem Prinzip kunstlicher Neuronaler Netze und leitet die optischen Dicken von Zirruswolken und deren Oberkantenhohen aus Messungen der Infrarotkanale des Instrumentes SEVIRI ab, was Beobachtungen sowohl in der Nacht als auch am Tage ermoglicht. Dieses Neuronale Netz wurde mit gleichzeitigen Messungen der optischen Dicken und Hohen der Wolkenoberkante von CALIOP trainiert. In dieser Arbeit wird die Entwicklung von COCS und die Validierung mit zwei unterschiedlichen Lidar-Messungen beschrieben, mit denen von CALIOP und mit denen des flugzeuggetragenen "High Spectral Resolution Lidar" (HSRL). Die Validierungen zeigen die hohe Genauigkeit des hier entwickelten Algorithmus in der Ableitung der optischen Dicken und Hohen der Wolkenoberkante von Zirruswolken. Zusatzlich wurden auch Vergleiche der COCS-Ergebnisse mit zwei weiteren auf SEVIRI basierenden Algorithmen durchgefuhrt: Zum einen mit dem "METEOSAT Cirrus Detection Algorithm 2" (MECiDA-2), welcher ebenfalls die thermischen Infrarotkanale benutzt, zum anderen mit dem "Algorithm for the Physical Investigation of Clouds with SEVIRI" (APICS), welcher zur Ableitung der optischen Eigenschaften von Wolken sowohl auf den Infrarotkanalen als auch auf Kanalen im sichtbaren Spektralbereich basiert. Die Validierung zeigt hervorragende Ergebnisse fur die Erkennung von Zirruswolken mit einer Fehldetektionsrate von unter 5 % und einer Detektionseffizienz von bis zu 99 % ab einer optischen Dicke von 0.1. Ebenfalls wird eine Standardabweichung von 0.25 fur die optische Dicke und 0.75 km fur die Hohe der Wolkenoberkante nachgewiesen. Basierend auf funf Jahren prozessierter COCS-Daten werden die Tagesgange von Zirruswolken in verschiedenen Regionen der Erde analysiert und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen ausgepragte Tagesgange des Zirrusbedeckungsgrades und der optischen Dicke, welche sich von den Vorhersagen des "European Centre for Medium-range Weather Forecasts" (ECMWF) unterscheiden. Eine Betrachtung des Bedeckungsgrades hoher Wolken, vorhergesagt durch das ECMWF, und der Ergebnisse des COCS Algorithmus zeigt gut ubereinstimmende Tagesgange in konvektiven Regionen, wahrend Unterschiede in nichtkonvektiven Regionen uber dem Nord- (NAR) und Sudatlantik (SAR) sichtbar werden. Generell wird vor allem in diesen Regionen ein hoherer Bedeckungsgrad mit Unterschieden von 3-10 % durch COCS errechnet. Abschliesend werden die Unterschiede der NAR und SAR diskutiert, da im Nordatlantik einer der meist frequentierten ozeanischen Flugkorridore liegt. Hier mischen sich die heisen Flugzeugabgase mit kalten Luftmassen und fuhren zur Bildung von Kondensstreifen. Diese Kondensstreifen verlieren mit der Zeit ihre lineare Form und konnen anschliesend nicht mehr von naturlich entstandenen Zirruswolken unterschieden werden. Grundsatzlich zeigt sich hier eine starke Korrelation des Tagesganges von Bedeckungsgrad und optischer Dicke der Zirruswolken mit der Luftverkehrsdichte. Es werden Unterschiede von bis zu 3 % im Bedeckungsgrad zwischen NAR und SAR detektiert.