Satellitenwinde
Höhenkorrektur von Satellitenwinden mit Lidarmessungen
Satellitenwinde (engl. AMVs für „atmospheric motion vectors“) werden aus Satellitenbildern bestimmt, indem Verlagerungen von Wolkenstrukturen oder Wasserdampfgradienten über eine Bildfolge hinweg analysiert werden. AMVs werden als Datenquelle für die Anfangsbedingungen numerischer Wettervorhersagemodelle genutzt und liefern insbesondere in Regionen der Erde, in denen nur wenige konventionellen Messdaten zur Verfügung stehen, wertvolle Informationen zum Windfeld der Atmosphäre. Einige Fehlerquellen bei der Ableitung von AMVs sind dennoch nach wie vor als problematisch anzusehen, wobei der Hauptfehler in der oft unzureichenden vertikalen Höhenzuordnung liegt.
Um diesen Fehler zu verbessern, wurde eine Methode entwickelt, Satellitenwinde direkt mit nahen Lidarmessungen der Wolkenoberkante zu korrigieren. Eine erste Studie mit flugzeuggetragenen Lidarmessungen während einer Messkampagne um Japan zeigte positive Effekte (Weissmann et al. 2014). Diese wurden in einer zweiten Studie bestätigt, bei der satellitengestützte Lidarmessungen des polarumlaufenden Satelliten CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) für die Höhenkorrektur verwendet wurden (Folger und Weissmann, 2014). Satellitenwinde wurden vor und nach der Höhenkorrektur mit Hilfe von Dropsonden bzw. Radiosonden verifiziert.
Die Resultate beider Studien zeigen, dass der AMV-Windfehler mit Hilfe von Lidarmessungen der Wolkenoberkante signifikant reduziert werden kann. Hauptergebnisse der zweiten Studie mit CALIPSO-Lidarmessungen sind in Abbildung 1 dargestellt. Für AMVs in der oberen Troposphäre (über einer Druckhöhe von 700 hPa) erzielen 120-hPa dicke Schichten unterhalb der Lidar-Wolkenoberkante eine Verringerung des Windfehlers von 12% beim Vergleich mit einer Schicht derselben Dicke um die ursprüngliche AMV-Höhe, bzw. eine Verbesserung von 17% beim Vergleich zu der diskreten, ursprünglichen AMV-Höhe. Insgesamt wurden 2835 AMVs während einer achtmonatigen Zeitspanne in 2012/2013 verwendet (948 IR- und 1887 WV-AMVs)
Abb. 1: (links): VRMS-Differenzen und Bias der Windgeschwindigkeit zwischen operationellem AMV-Wind und Radiosonden-Wind für AMVs oberhalb einer Druckhöhe von 700 hPa (IR und WV zusammengefasst). Blaue Linien repräsentieren Schichten, die an der ursprünglichen AMV-Höhe zentriert sind, rote Linien Schichten unterhalb der Lidar-Wolkenoberkante.
(rechts) relative Verringerung des Windfehlers für Schichten unterhalb der Lidar-Wolkenoberkante im Vergleich zu Schichten, die zentriert um die ursprüngliche AMV-Höhe liegen (schwarze Linie) und im Vergleich zu dem diskreten, operationellen AMV-Level (grüne Linie).
Insgesamt verdeutlichen beide bisherigen Studien das Potential von Lidarmessungen von CALIPSO (oder zukünftigen satellitengestützten Lidars) bei der Höhenkorrektur von Satellitenwinden. Weitere Studien zur Assimilation von lidar-korrigierten AMVs in numerische Wettervorhersagemodelle sind geplant.
Referenzen:
Weissmann, M., K. Folger und H. Lange, 2013: Height correction of atmospheric motion vectors using airborne lidar observations. J. Appl. Meteor. Climatol., 52, 1868–1877.
Folger, K., und M. Weissmann, 2014: Height correction of atmospheric motion vectors using satellite lidar observations from CALIPSO. J. Appl. Meteor. Climatol., 53, 1809-1819.