title: Differentiation of evolutionary stages in fog life cycles based on microphysical properties – implications for the operation of novel cloud radar profilers
title: Differenzierung des Lebenszyklus von Nebel in aufeinanderfolgende Entwicklungsstadien auf der Basis von mikrophysikalischen Eigenschaften – Konsequenzen für die Verwendung neuartiger Wolkenradar-Profiler
Creators: name: Maier, Frank Markus
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Geografie, Reisen
radar
natural sciences
Naturwissenschaften
Fernerkundung
Nebel
remote sensing
Radar
fog

description: Enlarged knowledge of the
      spatiotemporal distribution of fog and low stratus (FLS) is
      of great value in regards to traffic safety and air quality
      control. Not only the horizontal visibility in fog but also
      the dissolving power of harmful pollutants in boundary clouds
      depend on the prevailing small droplets. Since the drop size
      spectrum (DSD) of both phenomena varies spatially with the
      vertical extent of these clouds and temporally from formation
      to dissipation, nowcasting and forecasting of FLS is faced
      with difficult challenges. Present models have need of
      theoretical assumptions on vertical microphysical profiles
      and their evolution during fog life cycle for their
      computations since real-time data on these cannot be provided
      contemporaneously so far. According to COST actions 720 and
      722 novel ground-based microwave FMCW cloud RADAR profilers
      possess the instrumental requirements for deriving
      microphysical properties such as liquid water content (LWC)
      from radar reflectivity (Z); but no implemented retrievals
      have been developed so far. Since for the derivation of
      vertical LWC-profiles from Z detailed information on
      prevailing DSD are required, the evolution of the latter as a
      function of the fog life cycle has to be considered. An
      accurate classification of fog evolutionary stages,
      accompanied with phase-specific DSD, is a necessary condition
      for a proper usage of the microwave RADAR profiler.
      Otherwise, the derivation of vertical LWC-profiles from Z
      would underlie too big inaccuracies. Hence, the major aim of
      the thesis was the investigation of the temporal dynamics of
      fog microphysics with emphasis on DSD over its whole life
      cycle. This intention was based on the hypothesis that it is
      possible to separate consecutive evolutionary stages
      temporally within fog life cycle on the basis of fog
      microphysics such as DSD at the ground as well as in vertical
      profiles. Novel findings of the current thesis are: 1. It is
      possible to derive vertical LWC-profiles in FLS directly from
      RADAR reflectivity of a novel 94 GH FMCW cloud RADAR profiler
      since a direct but non-linear relationship between Z and LWC
      could be approved whereby further information on the
      prevailing drop size distribution has to be presumed. 2. Fog
      occurrences can be separated in three consecutive phases
      during its life cycle by means of an innovative statistical
      approach that relies on measured microphysical fog properties
      or horizontal visibility at the ground. 3. According to
      balloon-borne measurements of vertical LWC-profiles it is
      legitimate to interpolate FLS life cycle phases from ground-
      based measurements of microphysical properties and horizontal
      visibility in their whole vertical extension. The results of
      the thesis have manifold benefits for climate research and
      operational FLS applications. The identification of cloud
      geometrical thickness and thus the distinction between fog
      and low stratus by means of optical satellite retrievals has
      to be improved with regards to their reliability. The
      introduced approach for the classification of evolutionary
      stages during fog life cycle based on microphysical
      properties is a valuable step towards the development of a
      method for the derivation of vertical LWC-profiles from novel
      FMCW microwave cloud RADAR profilers. These are notably
      suitable for the exploration of microphysical properties of
      FLS with high temporal resolution. The resultant findings
      about the dynamics of microphysical properties during FLS
      could be used to improve the implemented theoretical
      assumptions on LWC-profiles in satellite-based approaches for
      fog detection. This optimization could permit in turn an
      operational and continuous monitoring of LWC-profiles in FLS
      thanks to their high spatiotemporal resolution.
description: Genauere Erkenntnisse über die
      raumzeitliche Verteilung von Nebel und niedrigem Stratus sind
      von großem Wert für die Verkehrssicherheit und die
      Luftreinhaltung. Sowohl die horizontale Sichtweite in Nebel
      als auch das Lösungsvermögen gefährlicher Schadstoffe in
      bodennahen Wolken hängen von den vorherrschenden Tropfen ab.
      Da das Tropfenspektrum beider Phänomene räumlich in ihrer
      vertikalen Ausdehnung und zeitlich von der Bildung bis zur
      Auflösung variiert, stehen Kurzvorhersagen von Nebel und
      niedrigem Stratus vor großen Herausforderungen. Die
      derzeitigen Vorhersagemodelle benötigen theoretische Annahmen
      über die mikrophysikalischen Vertikalprofile und ihre
      Entwicklung während des Lebenszyklus für ihre Berechnungen,
      da bis jetzt Echtzeitdaten über diese nicht simultan zu den
      Modellen zur Verfügung gestellt werden können. Laut der
      COST-Aktionen 720 und 722 besitzen bodengestützte Mikrowellen
      FMCW Wolken-RADAR-Profiler die messtechnischen
      Voraussetzungen für die Ableitung der mikrophysikalischen
      Eigenschaften wie den Flüssigwassergehalt aus der
      Radarreflektivität. Jedoch sind bisher noch keine
      implementierten Retrievals für sie entwickelt worden. Da für
      die Ableitung vertikaler LWC-Profile aus der
      Radarreflektivität detaillierte Informationen über das
      vorherrschende Tropfenspektrum notwendig sind, muss die
      Entwicklung des letzteren in Abhängigkeit von den
      Entwicklungsstadien des Nebels berücksichtigt werden. Eine
      präzise Klassifikation der Entwicklungsstadien des Nebels mit
      phasenspezifischen Tropfenspektren ist daher eine notwendige
      Voraussetzung für die Verwendung von Mikrowellen
      RADAR-Profilern. Ansonsten würde die Ableitung vertikaler
      LWC-Profile aus der Radarreflektivität zu großen
      Messungenauigkeiten unterliegen. Daher war das Hauptziel der
      Dissertation die Untersuchung der zeitlichen Dynamik der
      Nebelmikrophysik mit Schwerpunkt auf der
      Tropfengrößenverteilung über den gesamten Lebenszyklus.
      Dieses Vorhaben basierte auf der Hypothese, dass es möglich
      ist, die aufeinanderfolgenden Entwicklungsstadien innerhalb
      des Lebenszyklus, anhand der Mikrophysik wie beispielsweise
      mittels des Tropfengrößenspektrums am Boden sowie in
      Vertikalprofilen von Nebel, zeitlich zu differenzieren. Neue
      Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit sind: 1. Es ist möglich,
      vertikale Flüssigwassergehaltprofile in Nebel und niedrigem
      Stratus direkt aus der Radarreflektivität eines neuartigen 94
      GHz FMCW Wolkenradarprofilers abzuleiten, da ein direkter,
      aber nicht-linearer Zusammenhang zwischen der
      Radarreflektivität und dem Flüssigwassergehalt nachgewiesen
      werden konnte, wobei zusätzliche Informationen über die
      vorherrschenden Tropfengrößenverteilung vorhanden sein
      müssen. 2. Nebelereignisse können mit Hilfe einer innovativen
      statistischen Methode in drei aufeinanderfolgende
      Entwicklungsstadien innerhalb eines Lebenszyklus unterteilt
      werden, die auf gemessenen mikrophysikalischen
      Nebeleigenschaften oder der horizontalen Sichtweite am Boden
      basiert. 3. In Übereinstimmung mit ballongestützten Messungen
      von Vertikalprofilen des Flüssigwassergehalts ist es
      zulässig, die Entwicklungsphasen von Nebel und niedrigem
      Stratus, die auf Bodenmessungen der mikrophysikalischen
      Eigenschaften und der horizontalten Sichtweite basieren, über
      deren komplette vertikale Ausbreitung zu interpolieren. Die
      Ergebnisse der Dissertation bieten vielfältige Vorteile für
      die Klimaforschung und der operationellen Erfassung von Nebel
      und niedrigem Stratus. Die Bestimmung der optischen Dicken
      bodennaher Wolken und die damit einhergehende Unterscheidung
      zwischen Nebel und niedrigem Stratus mit Hilfe von optischen
      Satellitenretrievals muss hinsichtlich ihrer Verlässlichkeit
      verbessert werden. Der in der Arbeit vorgestellte, auf
      mikrophysikalischen Eigenschaften beruhende, Ansatz zur
      Klassifizierung der Entwicklungsstadien von Nebel während
      seines Lebenszyklus, ist ein wertvoller Schritt auf dem Weg
      zur Entwicklung eines Verfahrens, mit dessen Hilfe
      Vertikalprofile des Flüssigwassergehalts von neuartigen FMCW
      Mikrowellenradarprofilern abgeleitet werden können. Diese
      sind, aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung, in
      besonderem Maße für die Untersuchung der mikrophysikalischen
      Eigenschaften von niedrigem Stratus und Nebel geeignet. Die
      daraus resultierenden Erkenntnisse über die Dynamik der
      mikrophysikalischen Eigenschaften in Nebelereignissen und
      niedrigem Stratus könnten dazu benutzt werden, die, in
      satellitengestützten Methoden zur Bestimmung von Nebel,
      verwendeten theoretischen Annahmen zu verbessern. Diese
      Optimierung könnte im Umkehrschluss eine operationelle und
      kontinuierliche Beobachtung der Vertikalprofile des
      Flüssigwassergehalts in Nebel und niedrigem Stratus, wegen
      ihres hohen raumzeitlichen Auflösungsvermögens,
      erleichtern.