ESA Wide-Swath High-Resolution Cloud Profiling - Scientific Concept Study

Ziel

Globale hochaufgelöste 3D Messungen von Wolken sind höchst wünschenswert und nützlich. Wir könnten damit unsere Atmosphärenmodelle auf verschiedenen Skalen verbessern, Wetter- oder Klimamodelle evaluieren, oder sogar Wolkenparameter in die Wettermodelle assimilieren, um so die Vorhersage noch besser an die reale Wettersituation anzupassen. Dennoch gibt es solche Messungen im Moment nicht. Es gibt hochinteressante Satellitenmissionen wie CloudSat/CALIPSO und die geplante EarthCARE Mission, die durch Radar- und Lidar-Messungen vertikal hochaufgelöste Daten über die Atmosphäre inklusive der Wolken liefern, aber sie decken nur ein kleines Gebiet ab, da ihr Schwad nur sehr schmal ist. Ferner werden diese Missionen in absehbarer Zukunft enden. Was bleiben wird sind Satellitenmissionen, bei denen die klassischen passiven Mikrowellensensoren zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel MetOP oder die geplante MetOP-SG Mission. Diese Messungen haben eine sehr gute horizontale Abdeckung - unglücklicherweise fehlt hier jedoch die vertikale Auflösung. Es wäre sehr nützlich, wenn beide Technologien gleichzeitig und dicht beisammen fliegen würden. Dies ist jedoch mit den momentan geplanten Missionen sehr unwahrscheinlich, da die Lebenszeit von EarthCARE zu Ende sein wird bevor MetOP-SG seine Messungen startet.

In diesem Projekt untersuchen wir die Synergie zwischen einem Wolkenradar und den passiven Instrumenten auf MetOP-SG, die im Millimeter- bzw. im Submillimeterbereich arbeiten. Die beiden Ideen, die wir dabei verfolgen sind:

• Was gewinnen wir durch ein aktives Radarinstrument, das atmosphärische Profile im Kontext der passiven Beobachtungen im Submillimeterbereich? 
• Ist es möglich, ein gemeinsames Profil aus den Messungen zu erhalten, in denen das Radarprofil mit zusammenfallenden passiven Mikrowellen-Beobachtungen kombiniert wird?
• Können wir 3D Szenen konstruieren, bei denen die passiven Messungen bei nahen, aber nicht direkt zusammenfallenden Radarmessungen kombiniert werden?

Um die Retrieval-Algorithmen zu entwickeln und zu testen nutzen wir realitätsnahe Simulationen des hochaufgelösten ICON-Modells, die freundlicherweise vom BMBF-Projekt HD(CP)2 (High Definition Clouds and Precipitation for Advancing Climate Prediction) zur Verfügung gestellt werden, sowie Simulationen des GEM Modells, die freundlicherweise von Environment Canada zur Verfügung gestellt werden.

In einem ersten Schritt definieren wir ein geeignetes Setup für das Radar-Instrument. Weiterhin nutzen wir den Atmospheric Radiative Transfer Simulator (ARTS), um die Radar- und passiven Mikrowellenmessungen mit den zuvor definierten Instrumenten-Spezifikationen aus den Modellszenen zu berechnen. Die speziellen Herausforderungen dabei sind

• eine möglichst realistische Simulation der atmosphärischen Situation sowie der mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolke sicherzustellen, 
• eine konsistente Beschreibung der mikrophysikalischen Eigenschaften der Hydrometeore im Atmosphärenmodell und im Strahlungstransportmodell zu gewährleisten, 
• und eine gute numerische Effizienz, um die detaillierten Strahlungstransportrechnungen durchzuführen. 

Dieses ambitionierte Projekt, das von der European Space Agency (ESA) finanziert wird, soll langfristig den Weg dazu ebnen, einen neue Mission vorzuschlagen, die 3D Beobachtungen von Wolken aus dem Weltraum ermöglicht. 

Projekt Partner:

• Universität Hamburg, Meteorologisches Institut
  • Prof. Dr. Stefan Bühler (Gesamtleitung)
  • Dr. Verena Grützun (Projektmanagement)
  • Dr. Manfred Brath (Projektwissenschaftler)
  • Oliver Lemke (Wissenschaftlicher Programmierer)
    
    
• Chalmers University of Technology, Gothenburg, Schweden:
  • Prof. Dr. Patrick Eriksson (Projektleitung an der Chalmers Universität)
  • Dr. Jana Mendrock (Projektwissenschaftlerin)
  • Robin Ekelund (Projektwissenschaftler)
     
• University of Reading, Groß-Brittanien:
  • Prof. Dr. Anthony Illingworth (Projektleitung an der Universität Reading, Core-Team für Task 1)
    
    
• Universität Köln
  • Prof. Dr. Susanne Crewell (Beraterin)
  • Prof. Dr. Pavlos Kollias, (Berater)

• Max-Planck-Institut für Meteorologie
  • Prof. Dr. Björn Stevens (Berater)
    
    
• University of Reading
  • Prof. Dr. Anthony Illingworth (Berater für Task 2-4)
    
    
• Environment and Climate Change, Canada
  • Dr. Howard Barker (Berater)
    
    
• European Space Agency (ESA)
  • Tobias Wehr (ESA Technischer Referent/Projektleitung bei ESA)

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Internal project pages/project database

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Autor: Verena Grützun