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Titel:A novel day/night-technique for area-wide precipitation retrieval over Central Europe using MSG SEVIRI data
Autor:Thies, Boris
Weitere Beteiligte: Bendix, Jörg (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2008
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2008/0906
DOI: https://doi.org/10.17192/z2008.0906
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2008-09065
DDC: Naturwissenschaften
Titel(trans.):A novel day/night-technique for area-wide precipitation retrieval over Central Europe using MSG SEVIRI data
Publikationsdatum:2009-01-12
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Niederschlagsmessung, Mittelbreiten, Wettersatellit, Rainfall, Optische Sensoren, Wolkeneigenschaften, Satellite, Niederschlagserfassung, Wolke, Cloud properties, Precipitation, Rain, Niederschlag, Retrieval, Regen

Zusammenfassung:
Knowledge of the spatio-temporal precipitation distribution is of great value in agriculture, water engineering, climatology and risk management. So far, no adequate method existed for the detection and monitoring of precipitation at high temporal and spatial resolutions in most parts of the world where radar networks are not available. Due to spectral constraints, existing retrieval techniques rely on a relationship between rainfall probability and intensity and the cloud top temperature measured in an infrared channel. These techniques show considerable drawbacks concerning precipitation processes in the mid-latitudes. Improved techniques for rain area identification based on spectral enhancements of new generation satellite systems used to be only available on polar orbiting platforms with poor temporal resolutions. Furthermore, these algorithms are only applicable during day-time. With the advent of Meteosat Second Generation (MSG) Spinning-Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI) in 2004, a geostationary satellite system with significantly improved spectral and spatial resolutions has become available. The central aim of the present study therefore was to develop a novel method for operational precipitation detection during day- and night-time based on MSG SEVIRI data. The focus of the newly developed scheme lies on precipitation processes in the mid-latitudes in connection with extra-tropical cyclones. It is therefore not only applicable to convectively dominated rain areas but also to precipitating cloud areas of advective-stratiform character. The newly developed rainfall retrieval scheme based on the advanced second-generation GEO system MSG SEVIRI rests upon the following conceptual model: • Precipitating cloud areas are characterized by a sufficiently high cloud water path and ice particles in the upper part. • Cloud areas with higher rainfall intensities are characterized by a higher cloud water path and a higher amount of ice particles in the upper part. • Convective clouds with very high rainfall intensities are characterized by a large vertical extension and a high rising cold cloud top. Based on this conceptual design, the new retrieval scheme consists of an entirely new methodology compiling novel and innovative algorithms and approaches. The following three components are the focal parts of the novel technique: • A new algorithm for the identification of the rain area during day- and night-time was developed for SEVIRI. The method allows not only a proper detection of mainly convective rain areas but also enables the detection of advective-stratiform precipitation (e.g. in connection with mid-latitude frontal systems). It is based on information about the CWP and the cloud phase in the upper cloud regions. • An infrared retrieval technique appropriate for convective precipitation processes in the mid-latitudes was successfully transferred and adapted to MSG SEVIRI. The phenomenon of positive brightness temperature differences between the WV and IR channels (dTWV-IR), which enables the detection and classification of convectively dominated raining cloud areas was investigated for the WV and IR channels of SEVIRI. Based on radiative transfer calculations, which revealed the existence of positive ΔTWV-IR for all SEVIRI WV-IR differences, the dTWV technique could be applied and transferred to SEVIRI. • A new technique for precipitation process and rainfall intensity separation was developed for SEVIRI. The process separation and the further subdivision relies on information about the cloud top height, the cloud water path and the cloud phase in the upper parts. The subdivision is realized in a stepwise manner. In a first step the rain area is separated into the subareas of convective and advective-stratiform precipitation processes. In the following both separated process areas are divided into subareas of differing rainfall intensities. The process separation and the subdivision of the convective precipitation area relies on information about the cloud top height. The subdivision of the advective-stratiform precipitation area is based on information about the CWP and the particle phase in the upper parts of the cloud. The rain area and the process-oriented rainfall intensities detected and classified by the newly developed retrieval technique were validated against corresponding ground-based radar data of Germany, representative for mid-latitude precipitation processes. The results of the validation study indicate persuading performance of the new algorithm concerning rain area identification as well as process and intensity differentiation and indicate the stability of the introduced conceptual design.

Summary:
Informationen über die raum-zeitliche Niederschlagsverteilung sind von großem Nutzen in der Landwirtschaft, im Wasserbau, in der Klimatologie und im Bereich des Risikomanagements. In den meisten Gebieten der Erde ohne bodengebundene Radarnetzwerke existierte bislang keine adäquate Methode zur räumlich und zeitlich hochaufgelösten Erfassung und Beobachtung des Niederschlags. Aufgrund der spektralen Begrenzung basierten existierende Verfahren zur Niederschlagserfassung mit Satellitendaten auf einem Zusammenhang zwischen der Regenwahrscheinlichkeit und -intensität und der Wolkenoberflächentemperatur in einem Infrarot-Kanal. Diese Verfahren zeigen erhebliche Schwächen hinsichtlich der Niederschlagsprozesse in den Mittelbreiten. Verbesserte Techniken zur Erfassung der Niederschlagsfläche, die auf der erhöhten spektralen Auflösung von Satellitensystemen der neuesten Generation beruhen, waren auf polar umlaufende Systeme mit einer schlechten zeitlichen Auflösung beschränkt. Darüber hinaus waren diese Verfahren nur bei Tag anwendbar. Mit der Verfügbarkeit des Spinning-Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI) an Bord von Meteosat Second Generation (MSG) seit Anfang 2004 steht ein geostationäres Satellitensystem mit einer deutlich verbesserten spektralen und räumlichen Auflösung zur Verfügung. Das zentrale Ziel der vorliegenden Studie war daher die Entwicklung einer neuen Methode zur operationellen Niederschlagserfassung bei Tag und Nacht basierend auf MSG SEVIRI Daten. Der Fokus der neu entwickelten Methode lag dabei auf Niederschlagsprozessen im Zusammenhang mit außertropischen Zyklonen in den Mittelbreiten. Das neu entwickelte Verfahren zur Erfassung und Differenzierung der Niederschlagsfläche basierend auf MSG SEVIRI beruht dabei auf folgendem Konzeptmodell: • Regnende Wolkenbereiche sind durch einen ausreichend hohen Wolkenwasserweg und das Vorhandensein von Eispartikeln in den oberen Bereichen gekennzeichnet. • Wolkenbereiche erhöhter Niederschlagsintensität sind durch einen höheren Wolkenwasserweg sowie einen höheren Gehalt an Eispartikeln in den oberen Bereichen gekennzeichnet. • Konvektive Wolken mit sehr hohen Niederschlagsintensitäten sind durch eine große vertikale Mächtigkeit und eine hochreichende kalte Wolkenobergrenze gekennzeichnet. Die folgenden drei Komponenten bilden den Schwerpunkt der neuen Technik: • Ein neues Verfahren zur Erfassung der Niederschlagsfläche bei Tag und Nacht wurde für MSG SEVIRI entwickelt. Dieses gestattet nicht nur die Erfassung von konvektiv dominierten Regenflächen, sondern darüber hinaus auch die Erfassung von advektiv-stratiformen Niederschlagsfeldern (z.B. im Zusammenhang mit Frontensystemen in den Mittelbreiten). Das Verfahren beruht auf Informationen über den Wolkenwasserweg und die Wolkenphase in den oberen Wolkenbereichen. • Ein für konvektive Niederschlagsprozesse in den Mittelbreiten geeignetes Infrarot-Verfahren wurde erfolgreich auf MSG SEVIRI übertragen und angepasst. Das Phänomen positiver Temperaturdifferenzen zwischen den Wasserdampf – und Infrarotkanälen (dTWV-IR), welches die Erfassung und Klassifikation konvektiv dominierter Niederschlagsbereiche gestattet, wurde für die Wasserdampf (WV)- und Infrarotkanäle (IR) von MSG SEVIRI untersucht. Basierend auf Strahlungstransferrechnungen, die die Existenz von positiven dTWV-IR für alle SEVIRI WV-IR Differenzen belegten, konnte die dTWV-IR Technik auf MSG SEVIRI angewendet und übertragen werden. • Ein neues Verfahren zur Differenzierung von Bereichen unterschiedlicher Niederschlagsprozesse und -intensitäten wurde für MSG SEVIRI entwickelt. Die Prozess- und Intensitätsunterscheidung beruht auf Informationen über die Höhe der Wolkenobergrenze, den Wolkenwasserweg und die Wolkenphase in den oberen Bereichen. Die Klassifikation erfolgt schrittweise. In einem ersten Schritt wird die Niederschlagsfläche in die beiden Bereiche konvektiver und advektiv-stratiformer Niederschlagsprozesse aufgeteilt. Anschließend werden beide Bereiche in Gebiete unterschiedlicher Niederschlagsintensitäten untergliedert. Die durch das neu entwickelte Verfahren erfasste Niederschlagsfläche und die differenzierten Bereiche unterschiedlicher Niederschlagsprozesse und -intensitäten wurden mithilfe von bodengebundenen Radardaten über Deutschland validiert. Die Ergebnisse der Validierungsstudie zeigten eine überzeugende Performanz der neuen Technik sowohl hinsichtlich der identifizierten Niederschlagsfläche als auch bezüglich der differenzierten Niederschlagsprozesse und -intensitäten und konnten die Stabilität des vorgestellten Konzeptmodells belegen.


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