Differentiation of evolutionary stages in fog life cycles based on microphysical properties – implications for the operation of novel cloud radar profilers

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 d...

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Main Author: Maier, Frank Markus
Contributors: Bendix, Jörg (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2014
Subjects:
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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.