Titel: Small and Optically Thin Clouds in the Trades
Sonstige Titel: Kleine und optisch dünne Wolken in der Passatwind-Region
Sprache: Englisch
Autor*in: Mieslinger, Theresa
Schlagwörter: Trade wind cumuli; optically thin clouds; cloud radiative effect; shortwave radiative transfer; satellite imager
GND-Schlagwörter: KumulusGND
SonnenstrahlungGND
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-10-01
Zusammenfassung: 
The trades and the inherent trade cumulus clouds cover large parts of the tropical oceans. Trade cumulus clouds are ubiquitous but also very small in their horizontal and vertical extent posing huge challenges on observing systems such as satellite imagers. Climate models exhibit a significant spread in the response of trade cumulus clouds to global warming motivating their intense study in recent years. Within this thesis, I use high-resolution satellite images to gain new insights on small and optically thin clouds in the trades.
The way trade wind clouds change with surface warming is decisive for their feedback, which defines whether clouds further amplify or dampen the warming of the climate system. Cloud feedback estimates can be investigated from so-called cloud-controlling factors, their relation to cloud properties in the current climate and their change with global warming. Results from my first study indicate a wind-speed driven boundary layer in the trades. The surface trade winds show the most powerful control on cloud properties such as cloud sizes, top heights or cloud clustering. Furthermore, the Bowen ratio was firstly tested from observations and emerges as a potential new control factor. Trade cumulus cloud properties also show a susceptibility to the sea surface temperature and the stability of the lower troposphere which are both projected to change in a warming climate and may thus impact cloud feedbacks.

Investigating cloud-controlling factors is an ongoing task and seems to be within reach from extensive measurements of the recent field campaign EUREC4A. First analysis of cloud observations from multiple instruments indicate the frequent occurrence of not only small, but also optically thin clouds. Due to their low reflectance, such clouds are challenging to detect from passive imagers. High- resolution imagers are able to detect small clouds, but, do conventional satellite cloud products still miss optically thin clouds?
Within another study, I follow a new approach for defining the total cloud cover consisting of clouds detected by conventional cloud masking schemes and of undetected optically thin clouds. By simulating the well-understood clear-sky signal I can extract clouds as a residual from the all-sky observation and circumvent conventional but problematic thresholding tests in cloud masking schemes. From evaluating a high-resolution satellite dataset collected during EUREC4A, I find that optically thin clouds contribute 45 % to the total cloud cover and reduces the average cloud reflectance by 29 %. Undetected optically thin clouds can have major implications for estimates of the radiative effect of clouds and thus, cloud feedbacks.

Die Passatwind-Region und die dort heimischen Cumulus-Wolken bedecken große Teile unserer tropischen Ozeane. Passatwolken sind omnipräsent aber auch sehr klein in ihrer horizontalen und vertikalen Ausdehnung und stellen somit eine große Herausforderung für Beobachtungssysteme wie beispielsweise Satellitenaufnahmen dar. Klimamodelle sind sich uneins darin wie sich Passatwolken mit der Erderwä- rung verändern. Diese Uneinigkeit intensivierte die Erforschung der Wolken in den letzten Jahren. In der vorliegenden Arbeit verwende ich daher hochauflösende Satellitenbilder, um neue Erkenntnisse über kleine und optisch dünne Wolken in der Passatwind-Region zu gewinnen.
Die Art und Weise, wie sich Passatwolken mit der Oberflächenerwärmung ver- ändern, ist entscheidend für ihre Rückkopplung. Die Rückkopplung wiederum betimmt, ob Wolken die Erwärmung des Klimasystems weiter verstärken oder dämpfen. Schätzungen der Wolkenrückkopplung können anhand sogenannter wolkenkontrollierender Faktoren, ihrer Beziehung zu den Wolkeneigenschaften im aktuellen Klima und ihrer Veränderung mit der globalen Erwärmung unter- sucht werden. Die Ergebnisse meiner ersten Studie deuten auf eine windgesteuerte Passat-Grenzschicht hin. Die Passatwinde an der Oberfläche zeigen den stärksten Einfluss auf die Wolkeneigenschaften wie beispielsweise die Wolkengrößen, die Höhe der Wolkenobergrenze oder die Clusterbildung. Außerdem wurde das Bowen- Verhältnis zum ersten Mal anhand von Beobachtungen getestet und zeichnet sich als potenzieller neuer Kontrollfaktor ab. Darüber hinaus zeigen die Eigenschaften von Passatwolken eine Empfindlichkeit gegenüber der Meeresoberflächentempe- ratur und der Stabilität der unteren Troposphäre, welche sich beide in einem sich erwärmenden Klima ebenfalls ändern dürften und somit Auswirkungen auf die Rückkopplung von Wolken haben können.

Die Untersuchung der wolkensteuernden Faktoren ist eine fortwährende Aufga- be und scheint nach den umfangreichen Messungen der jüngsten Messkampagne EUREC4A in Reichweite zu sein. Erste Analysen von Wolkenbeobachtungen aus mehreren Instrumenten zeigen das häufige Auftreten von nicht nur kleinen, son- dern auch optisch dünnen Wolken. Aufgrund ihres geringen Reflexionsgrades sind derartige Wolken mit passiven Sensoren nur schwer zu erkennen. Mit hochauflö- senden Imagern sind wir in der Lage, kleine Wolken zu sehen. Aber verpassen herkömmliche Satellitenwolkenprodukte dennoch die optisch dünnen Wolken?
In einer weiteren Studie verfolge ich einen neuen Ansatz zur Definition einer Gesamtbewölkung, die sich aus Wolken, welche durch konventionelle Wolkenerken- nungsverfahren bestimmt werden, und aus nicht erkannten optisch dünnen Wolken zusammensetzt. Die Idee dabei ist, das Signal einer wolkenfreien Beobachtung zu nutzen, um die Wolken selbst als Residuum zu extrahieren. Durch Simulieren einer wolkenfreien Beobachtung kann das Signal der Wolken selbst als Residuum extrahiert werden. Die Methodik umgeht elegant die problembehafteten Schwellen- werttests in konventionelle Wolkenerkennungsverfahren. Durch die Auswertung eines hochauflösenden Satellitendatensatzes finde ich heraus, dass optisch dünne Wolken 45 % zur gesamten Wolkenbedeckung beitragen und die durchschnittlichen Helligkeit der Wolken um 29 % reduzieren. Unentdeckte optisch dünne Wolken können große Auswirkungen auf die Schätzung des Strahlungseffekts von Wolken haben und damit auch auf die Wolkenrückkopplung.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9452
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-98487
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Buehler, Stefan A.
Stevens, Bjorn
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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