A quantitative, satellite-based analysis of fog and low stratus clouds in the context of land-atmosphere interactions
Creators: name: Pauli, Eva
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: fog
low stratus
land-atmosphere interactions
machine learning
remote sensing

description: Nebel und niedrige Stratuswolken (fog and low stratus, FLS) sind ein wichtiger Teil des Klimasystems, da sie die Strahlungsbilanz der Erde direkt beeinflussen und als Wasser- und Nährstoffquellen für Ökosysteme dienen. Darüber hinaus haben sie wirtschaftliche Auswirkungen, da sie den Verkehr beeinträchtigen und eine Herausforderung für die Erzeugung von Solarenergie darstellen. FLS werden durch eine Vielzahl von Prozessen in der Atmosphäre und auf der Landoberfläche beeinflusst, wobei die Stärke, Richtung und Wechselwirkungen dieser Prozesse auf zeitlichen und räumlichen Skalen variieren. Das Verständnis des Einflusses von Umweltfaktoren auf die räumlichen und zeitlichen Muster von Nebel und niedrigem Stratus ist für ihre Vorhersage sowie für die Parametrisierung der Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre in Wetter- und Klimamodellen unerlässlich. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es das wissenschaftliche Verständnis des Einflusses von meteorologischen und landoberflächenbasierten Faktoren auf das Auftreten und den Lebenszyklus von FLS zu verbessern. Hierbei werden FLS Prozesse im Kontext von Interaktionen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre untersucht sowie der Einfluss der Landoberoberfläche auf das Vorkommen von Nebel und niedrigem Stratus analysiert. Die zentralen Orientierungspunkte der Teilstudien, mit räumlichen Fokus auf Mitteleuropa, sind vier Hauptforschungsfragen: 1. Welche Faktoren beeinflussen die großskaligen räumlichen und zeitlichen Muster von Nebel und niedrigem Stratus? 2. Wie beeinflusst die Landoberfläche räumliche Variationen des Vorkommens von Nebel und niedrigem Stratus? 3. Was sind klimatologische Muster der Bildung und Auflösung von Nebel und niedrigem Stratus? 4. Was sind regionale und subregionale Regime der Bildung und Auflösung von Nebel und niedrigem Stratus? Diese Forschungsfragen werden in vier separaten Studien behandelt, in denen Satellitendatensätze und Reanalysedaten in Kombination mit verschiedenen statistischen Methoden verwendet werden. Durch die Verwendung von Satelliten- und Reanalysedaten ist es möglich den Einfluss von Umweltfaktoren auf FLS auf großen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen, die in der bisherigen Forschung nicht berücksichtigt wurden. Die wichtigsten Ergebnisse werden im Folgenden erläutert. In einer für Kontinentaleuropa durchgeführten Studie wird ein statistisches Modell aufgesetzt, welches Tagesmittel der FLS Bedeckung mithilfe von meteorologischen und landoberflächenbasierten Prädiktoren vorhersagt. Die anschließende Sensitivitätsstudie zeigt, dass atmosphärische Prädiktoren, insbesondere Luftdruck, Windgeschwindigkeit und die FLS Bedeckung des Vortages, für die Vorhersage der FLS Bedeckung wichtiger sind als Charakteristika der Landoberfläche. Verdunstung und Landoberflächentemperatur gewinnen an Bedeutung für das Modell, wenn ausschließlich Hochdruckwetterlagen berücksichtigt werden. Die Analyse zeigt nicht nur die Bedeutung von atmosphärischen Prädiktoren für das statistische Modell auf, sondern verdeutlicht auch das Potential der Auswahl von Hochdruckwetterlagen für die Analyse des Einflusses der Landoberflächen auf Nebel und niedrigen Stratus. In einem subregionalen Ansatz wird die mittlere nächtliche FLS Bedeckung über einem großen Waldgebiet in Europa mit derjenigen über dem umliegenden landwirtschaftlichen Gebiet verglichen. Unter Verwendung zweier unabhängiger satellitengestützter FLS Datensätze findet sich über dem Waldgebiet eine signifikant höhere nächtliche FLS Bedeckung. Mögliche Gründe hierfür sind niedrige Windgeschwindigkeiten und Landoberflächentemperaturen sowie eine Temperaturinversion und eine höhere Konzentration von biogenen Kondensationskernen über dem Waldgebiet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Landoberfläche auf den untersuchten klimatologischen Skalen einen erheblichen Einfluss auf das Auftreten von Nebel und niedrigem Stratus hat. Zusätzlich zur Analyse der FLS Bedeckung folgt eine Analyse des FLS-Lebenszyklus hinsichtlich dessen Bildungs- und Auflösungszeitpunktes. Zu diesem Zweck wird eine logistische Regression auf einen bestehenden satellitengestützten FLS Datensatz über Mitteleuropa angewendet. Die klimatologische Analyse zeigt ausgeprägte geographische Muster der FLS-Bildung und Auflösung, die von der Topographie, der Nähe zur Küste und der Sonneneinstrahlung abhängen. Die saisonalen Muster ähneln sich in Frühling und Sommer und in Herbst und Winter, wobei die FLS-Persistenz in den letztgenannten Jahreszeiten höher ist. Der so entstandene neue Datensatz bildet die Grundlage für Analysen von Faktoren des Lebenszyklus von Nebel und niedrigem Stratus von Fallstudien bis hin zu klimatologischen Analysen. Aus diesem Datensatz werden regionale Regime des FLS Lebenszyklus abgeleitet, indem ein hierarchischer Clustering Algorithmus auf Sensitivitäten der FLS Bildungs- und Auflösungzeit hinsichtlich Umweltfaktoren angewandt wird. In Mitteleuropa werden vier Hauptregime der FLS Bildung und Auflösung identifiziert: zentral, maritim, Mediterran und Baltisch-Skandinavisch. Subregionale Regime werden hinsichtlich ihrer mittleren monatlichen Sensitivitäten von Bildungs- und Auflösungszeitpunkt gegenüber Veränderungen in Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Landoberflächentemperatur und Verdunstung analysiert. Die Sensitivitäten zeigen eine deutliche Abhängigkeit vom klimatischen und geographischen Hintergrund des Regimes. Darüber hinaus könnte der vorherrschende FLS Typ der bestimmende Faktor für die beobachteten Sensitivitätsmuster sein, sodass künftig eine Filterung nach spezifischen FLS Typen von Bedeutung sein wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit verbessern das Verständnis der Einflüsse atmosphärischer und landoberflächenbasierter Faktoren und ihrer Wechselwirkungen auf das Auftreten und den Lebenszyklus von Nebel und niedrigen Stratuswolken. Die spezifischen Einflüsse variieren standortabhängig und auf zeitlichen Skalen: Einflüsse meteorologischer Faktoren dominieren auf kürzeren Zeitskalen (mehrere Tage bis Monate), während die Verwendung von Jahresmittelwerten oder die Filterung spezifischer Wettersituationen die meteorologischen Schwankungen verringert und die Analyse von Landoberflächeneinflüssen auf die FLS Bedeckung ermöglicht. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von regionalen Modellregionen und von zusätzlichen Variablen, um Faktoren der FLS-Persistenz zu untersuchen. Vorläufige Ergebnisse einer solchen Studie für die Po-Ebene zeigen, dass meteorologische Faktoren hauptverantwortlich für die Persistenz von Nebel und niedrigem Stratus sind, wobei die Aerosolbelastung des Vortages die Persistenz bei starker Luftverschmutzung um bis zu 60 Minuten erhöht. Mithilfe von regional spezifischen Studien über die Auswirkungen von Umweltfaktoren auf den Lebenszyklus von Nebel und niedrigen Stratus können somit Rückschlüsse und Lehren für deren regionale Vorhersage, die Verkehrssicherheit und die Erzeugung von Solarenergie gezogen werden.