A novel day/night-technique for area-wide precipitation retrieval over Central Europe using MSG SEVIRI data

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 w...

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Main Author: Thies, Boris
Contributors: Bendix, Jörg (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2008
Subjects:
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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.