Wolken über der Antarktis:

Wolken über der Antarktis:
Verschiedene Beobachtungsverfahren im Vergleich
Dr. Amélie Kirchgäßner, Dr. Thomas Lachlan-Cope
British Antarctic Survey, Cambridge, UK
Zusammenfassung
Die Verbesserung von Qualität und Quantität der verfügbaren Informationen über Wolken in
der Antarktis ist eines der Ziele des Projektes FOCAS (Forcings from the Ocean, Clouds,
Atmosphere and Sea-Ice), Teil des aktuellen Forschungsstrategieplans am British Antarctic
Survey.
Hierzu werden sowohl bodengebundene Beobachtungen als auch Satellitendaten
herangezogen. Die bodengebundenen Daten stammen von den Stationen Halley, Vernadsky
und Rothera und bestehen aus synoptischen Beobachtungen, Radiosondenaufstiegen und
Ceilometerdaten. Die synoptischen Beobachtungen und Radiosondenaufstiege reichen in
Halley und Vernadsky zum Internationalen Geophysikalischen Jahr 1957 zurück, in Rothera
bis 1977. Die Ceilometer in Halley und Rothera wurden Anfang 2003 in Betrieb genommen.
Zum einen werden diese bodengebundenen Daten dazu verwendet, eine Klimatologie von
Wolkenparametern für die Stationen zu erhalten und mögliche Trends aufzuspüren, zum
anderen sollen diese punktuellen und recht spärlich verteilten Datensätze als Stützpunkte mit
flächendeckenden Satellitendaten kombiniert werden. Dafür steht das ARIES-Archiv
(Antarctic Reception of Imagery for Environmental Studies) zur Verfügung, welches in
Rothera empfangene AVHRR-Daten (Advanced Very High Resolution Radiometer) der
polarumlaufenden NOAA-Satelliten von 1993 an enthält. Mit bis zu acht Überflügen pro Tag
decken diese Daten die Regionen um die Stationen in einer Auflösung von etwa 1 km ab. Zur
Ableitung von Wolkenparametern aus den AVHRR-Daten wird CASPR (Cloud and Surface
Parameter Retrieval) herangezogen, ein Modell, das speziell für die Anwendung auf AVHRRDaten aus den Polargebieten entwickelt wurde (Key, 2002). Das ARIES-Archiv könnte somit
den Anfang einer hochaufgelösten Wolkenklimatologie für die Antarktis darstellen.
I. Motivation:
Wolken spielen eine entscheidende Rolle im Strahlungs- und somit im Energiehaushalt der
Atmosphäre. Neben ihren direkten Auswirkungen nehmen sie auch über eine Reihe von
Wechselwirkungsmechanismen Einfluss. Wolken absorbieren sehr effektiv im Infrarotbereich. Sie üben hierdurch einen starken natürlichen Treibhauseffekt aus und tragen so zur Erwärmung der Erdatmosphäre bei. Wolken sind jedoch gleichzeitig sehr effektive Reflektoren
einfallender Solarstrahlung, was einen kühlenden Einfluss auf die Erdatmosphäre zur Folge
hat. Eine Veränderung praktisch jeglichen Aspekts von Wolken, sei es die Wolkenart, wo sie
auftreten, ihr Flüssigwassergehalt, ihre Höhe, die Teilchenform oder -anzahl, oder ihre
Lebensdauer, beeinflussen, in welchem Maße die Wolken entweder zur Erwärmung oder Abkühlung der Erdatmosphäre beitragen. Manche Veränderungen verstärken den Einfluss der
Wolken während andere ihn verringern. Es ist ein wichtiger Aspekt aktueller Forschung, besser zu verstehen, wie Wolken sich in Folge der globalen Erwärmung verändern, und wie diese
Veränderungen durch eine Reihe von Rückkopplungsmechanismen wiederum das Klima beeinflussen.
Sowohl meteorologische Messreihen der vergangenen Jahrzehnte als auch Klimasimulationen
der Zukunft zeigen, dass die Antarktis eine Region ist, in der die globale Erwärmung extreme
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Klimaveränderungen zur Folge hat und haben wird. Dabei zeigen sich jedoch auch deutliche
regionale Differenzen.
Die Mehrheit der Stationen im Osten der Antarktis, einschließlich der beiden langjährigen
Messreihen auf dem Antarktischen Inlandeis (South Pole und Vostok) zeigen keine statistisch
signifikante Erwärmung oder Abkühlung (Turner et al., 2005). Deutliche Temperaturanstiege
sind jedoch auf der Antarktischen Halbinsel zu beobachten. Die Westküste der Antarktischen
Halbinsel ist eine der Regionen der Welt, in der die Lufttemperatur in den vergangenen 50
Jahren am schnellsten angestiegen ist. Die Jahresmitteltemperatur ist um ca. 3°C angestiegen,
ein noch ausgepräg-terer Anstieg ist in den Wintermonaten zu beobachten gewesen (Turner et
al., 2005; King et al., 2004; Vaughan et al., 2001). Bezogen auf Daten des jüngsten IPCCBerichts entspricht dies etwa dem zehnfachen der mittleren globalen Erwärmung. Im
Vergleich zu den Stationen an der Westküste verläuft der Temperaturanstieg an der Ostküste
der Halbinsel langsamer; hier ist er im Sommer und im Herbst besonders stark ausgeprägt
(King et al., 2004).
In Klimamodellen sind Wolken bislang unzureichend repräsentiert und stellen vermutlich die
Hauptursache für die noch vorhandenen Unsicherheiten in den Simulationen zukünftiger Klimabedingungen dar. Um diese Situation zu verbessern sind umfassendere Kenntnisse über
Wol-ken über der Antarktis vonnöten, die durch Zusammenführen von räumlich
hochauflösenden Satellitendaten und bodengestützten Beobachtungen und Messungen
gewonnen werden sollen.
II. Die verschiedenen Methoden und Verfahren:
a. Bodengebundene Messungen
Zur Verfügung stehen bodengebundene Messungen in Form von langjährigen Reihen synoptischer Beobachtungen von antarktischen Stationen, im Rahmen der bisherigen Untersuchung
wurden vor allem Daten der Stationen Rothera, Halley und Vernadsky (bis 1995 unter dem
Namen Faraday) verwendet. Daten aus Radiosondenaufstiegen liegen ebenfalls von Halley
und zusätzlich aus Rothera vor, und aus neuester Zeit kommen von diesen beiden Stationen
Ceilometerdaten als boedengebundene Informationsquelle hinzu.
i. Synoptische Beobachtungen
Synoptische Beobachtungen wurden in Faraday (ab 1996 unter dem Namen Vernadsky) und
Halley im Rahmen des Internationalen Geophysikalischen Jahres 1957 aufgenommen, in
Rothera mit Eröffnung der Station im Jahr 1977. Bis zu stündlich werden allgemeine meteorologische Größen wie Luftdruck, Temperatur, Windrichtung und -geschwindigkeit erfasst.
Dazu kommen Beobachtungen zum aktuellen Gesamtbedeckungsgrad, zum Anteil verschieden hoher Wolken, zu Wolkenart und Höhe von bis zu drei dominierenden Wolkenschichten.
Zusätzlich werden besondere Ereignisse wie zum Beispiel Niederschlagsereignisse festgehalten. Grundlage der vorliegenden Ergebnisse sind synoptische Beobachtungen von 00, 06, 12
und 18 UTC.
ii. Radiosondenaufstiege
Radiosonden liefern zeitlich und räumlich hochaufgelöste Informationen über die Vertikalstruktur der Atmosphäre bis in eine Höhe von ca. 20km anhand von Messungen der Lufttemperatur, der Relativen Feuchte, sowie durch Bestimmung der Windgeschwindigkeit und
Windrichtung. Mit der Durchführung von Radiosondenaufstiegen wurde in Halley im
Rahmen des Internationalen Geophysikalischen Jahres begonnen, in Rothera 1977. An beiden Stationen wurde seit dem mindestens alle drei Tage eine Radiosonde gestartet. Aus den
Messungen der Relativen Feuchte können Rückschlüsse auf das Vorhandensein, die Höhe und
vertikale Erstreckung von Wolken gezogen werden. Diese Informationen können wiederum
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mit dem Vertikalprofil der Temperatur kombiniert werden, so dass dadurch Daten z.B. über
die Temperatur am Oberrand der Wolken abgeleitet werden können.
Halley
Vernadsky
Rothera
Abb. 1: Geographische Lage der Antarktis-Stationen Halley, Vernadsky und
Rothera.
iii. Ceilometerdaten
Die Ceilometer, die in Halley und Rothera seit Februar 2003 in Betrieb sind, sind CT25K der
Firma Vaisala. Diese Instrumente messen die Intensität des Rückstreusignals eines gepulsten
Lasers. Aus diesem Rückstreuprofil werden die Höhe der Wolkenbasis und die vertikale
Sichtweite bis in eine Höhe von 25000ft (~7.5km) abgeleitet. Das CT25K ist in der Lage, bis
zu drei übereinanderliegende Wolkenschichten zu erfassen. Sowohl das gesamte
Rückstreusignal als auch die Höhe eventuell detektierter Wolkenschichten werden alle 30sec
aufgezeichnet. Die vertikale Auflösung des Rückstreuprofils beträgt 100ft (~30m). Die
Angaben über die Höhe der Wolkenbasen lassen indirekte Folgerungen über den Gesamtbedeckungsgrad zu.
b. Satellitendaten
Um Kenntnisse bezüglich Wolken über der Antarktis grundlegend zu verbessern, müssen die
bereits erwähnten punktuellen bodengebundenen Messungen durch räumlich hochaufgelöste
Daten ergänzt werden, die durch polarumlaufende Satelliten erhoben werden. Einerseits
bieten sich hierfür die polarumlaufenden Wettersatelliten der NOAA mit dem Advanced Very
High Resolution Radiometer (AVHRR) an Bord an, aus jüngerer Zeit sollen Daten von
CloudSat, CALIPSO und ICESat in die vorliegende Untersuchung einbezogen werden.
i. AVHRR
Seit Februar 1993 ist in Rothera ein Empfänger für Daten des AVHRR in Betrieb. Er deckt
einen Teil des Südpolarmeers ab, die Antarktische Halbinsel, die Westantarktis sowie den
nordwestlichen Teil der Ostantarktis. Die räumliche Auflösung der Daten beträgt ca. 1km. Im
sichtbaren bzw. in der Nähe des sichtbaren Wellenlängenbereich messen die Kanäle 1
(0.6µm) und 2 (2.09µm), Kanal 3 misst bei 3.37µm und die Kanäle 4 (11µm) und 5 (12µm)
decken das 12µm-Fenster im thermischen Infrarot ab. Täglich finden zwischen einem und
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acht Überflügen statt, so dass zu der hohen räumlichen Auflösung der Daten auch eine sehr
zufriedenstellende zeitliche Auflösung kommt. Die Daten werden im sogenannten ARIESArchiv gesammelt (Antarctic Reception of Imagery for Environmental Studies).
ii. CALIPSO und CloudSat
CALIPSO steht für Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation. Ziel
dieser Satellitenmission ist es, neue Einsichten darin zu gewinnen, welche Rolle Wolken und
atmosphärische Aerosole bei der Regulierung des Wetters, des Klimas und der Luftqualität
spielen. CALIPSO verbindet dafür ein aktives LIDAR mit Bilderfassung im passiven Infrarot
und im sichtbaren Bereich. Dies ermöglicht die weltweite Erfassung der Vertikalstruktur und
anderer Charakteristika von dünnen Wolken und Aerosolen.
CloudSat ist das erste satellitengestützte, im Millimeterbereich messende Wolkenradar. Es
misst die Energie der Rückstreuung von Wolken in Abhängigkeit von der Entfernung zum
Radar, woraus sich Informationen über das Vorhandensein, die Verteilung, Struktur und
Strahlungseigenschaften der Wolken gewinnen lassen. CALIPSO und CloudSat wurden am
28. April 2006 gestartet.
iii. GLAS
GLAS (Geoscience Laser Altimeter System) ist ein Messinstrument, welches die
Topographie von Eisdecken sowie deren zeitliche Veränderung, aber auch Wolkenparameter
und weitere atmosphärische Eigenschaften erfasst. GLAS ist eines der Messinstrumente an
Bord von ICESat (Ice, Cloud and land Elevation Satellite), der am 13. Januar 2003 gestartet
wurde.
c. Modelldaten
CASPR (Cloud and Surface Parameter Retrieval) wurde speziell zur Analyse polarer
AVHRR-Daten entwickelt (Key, 2002). Es besteht aus einer Sammlung von Algorithmen zur
Berechnung verschiedener Oberflächen- und Wolkenparameter. Die Ausgabegrößen sind in
Tabelle 1 zusammengestellt. Die Anwendung von CASPR auf die Daten des ARIES-Archivs
wird eine der Hauptaufgaben, die Erstellung einer hochaufgelösten Wolkenklimatologie für
Teile der Antarktis, ermöglichen, und stellt somit einen zentralen Punkt der zur Zeit laufenden
Arbeiten dar.
Tab. 1: Ausgabegrößen von CASPR
Erdoberfläche und Wolken
Strahlung
Einfallende kurzwellige Strahlung an der
Erdoberfläche
Einfallende langwellige Strahlung an der
Erdoberfläche
Aufwärtsgerichtete kurzwellige Strahlung an der
Erdoberfläche
Aufwärtsgerichtete langwellige Strahlung an der
Erdoberfläche
Einfallende kurzwellige Strahlung am Oberrand der
Atmosphäre
Aufwärtsgerichtete kurzwellige Strahlung am
Oberrand der Atmosphäre
Aufwärtsgerichtete langwellige Strahlung am
Oberrand der Atmosphäre
Kurzwelliger Antrieb durch Wolken an der
Erdoberfläche
Langwelliger Antrieb durch Wolken an der
Erdoberfläche
Oberflächentemperatur
Albedo
effektiver Radius der Wolkenteilchen
optische Dicke von Wolken
Phase der Wolkenteilchen
Wolkenmaske
Temperatur an der Oberseite der Wolken
Luftdruck an der Oberseite der Wolken
Menge des für Niederschlag zur Verfügung
stehenden Wassers
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d. Flugzeuggestützte Messungen
Am British Antarctic Survey steht eine Twin-Otter für meteorologische Flugmessungen in der
Antarktis zur Verfügung. Diese wird derzeit mit einem Wolken-, Aerosol- und Niederschlagsspektrometer (CAPS: Cloud, Aerosol and Precipitation Spectrometer) ausgerüstet. Für die
Saison 2008/9 sind Messflüge mit der Twin-Otter von Rothera aus vorgesehen. Das komplette
Messsystem vereinigt fünf Geräte in einem. Es liefert Angaben über:
-
die Größenverteilung von Aerosolpartikeln und Wolkentropfen zwischen 0.5 und 50 μm
die Teilchenform und Phase
den Brechungsindex von Wolkenteilchen
die Größenverteilung von Niederschlag im Bereich von 25 bis 1550μm und
den Flüssigwassergehalt
Diese Messungen werden einen direkten Vergleich physikalischer Größen und Prozesse in
und im Umfeld von Wolken mit den aus CASPR und den AVHRR-Daten gewonnenen
ermöglichen.
III. Ergebnisse verschiedener Verfahren im Vergleich
a. Ceilometer – synoptische Beobachtungen
Seit Anfang 2003 liegen an den Stationen Halley und Rothera zusätzlich zu den synoptischen
Beobachtungen auch Ceilometermessungen vor. Die primäre Ausgabegröße der Ceilometer,
nämlich die Höhe der Basis von bis zu drei Wolkenschichten, kann jedoch nicht mit den
synoptischen Beobachtungen verglichen werden, da sich die Messungen auf das relativ kleine
Blickfeld des Ceilometers beziehen, die Beobachter an den Stationen jedoch die gesamte
Sphäre bei ihren Angaben berücksichtigen. Vergleichen lassen sich allerdings Angaben über
den Gesamtbedeckungsgrad, in dem man bestimmte Annahmen über die Zuggeschwindigkeit
der Bewölkung macht, und so aus einer Aufeinanderfolge von Messungen des Ceilometers
Schlüsse über den Bedeckungsgrad während dieses Zeitraums zieht. Tabelle 4 zeigt die
Korrelationskoeffizienten für die Jahresmittelwerte der Gesamtbewölkung in Halley und
Rothera.
Abbildung 4 zeigt einen Vergleich des beobachteten und aus Ceilometermessungen
abgeleiteten Gesamtbedeckungsgrads in Halley für Oktober 2003. Erwartungsgemäß zeigen
sich zu einzelnen Beobachtungsterminen zum Teil erhebliche Abweichungen, im Großen und
Ganzen ist die Übereinstimmung jedoch zufriedenstellend. Probleme treten insbesondere bei
der Unterscheidung zwischen 7 und 8 Achteln bzw. zwischen 0 und einem Achtel auf.
Tab. 4: Korrelationen zwischen dem beobachteten und dem aus Ceilometermessungen abgeleiteten Gesamtbedeckungsgrad an den Stationen Halley und
Rothera
Jahr
2003
2004
2005
Halley
0.80
0.68
0.80
Rothera
0.74
0.80
0.77
Diese Fälle machen im Durchschnitt fast 80% aller Beobachtungen aus. Aufgrund seines sehr
geringen Sichtfeldes ist nachzuvollziehen, dass das Ceiloimeter eine einzelne Lücke in einer
ansonsten geschlossenen Wolkendecke, oder eine einzelne Wolke am ansonsten
strahlendblauen Himmel nicht erfasst. Angesichts dessen sind die Korrelationskoeffizienten in
Tabelle 4 als hoch einzustufen.
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Abb. 4: Vergleich des Bedeckungsgrades aus synoptischen Beobachtungen und
Ceilometermessungen im Oktober 2003 an der Station Halley.
b. AVHRR - Radiosondendaten
Es wurde ebenfalls versucht, aus AVHRR-Messungen gewonnene Helligkeitstemperaturen
mit Temperaturprofilen aus Radiosondenaufstiegen zu vergleichen. Dabei wird aus den
Messungen der Relativen Feuchte die Höhe und vertikale Erstreckung eventuell vorhandener
Wolken abgeleitet und mit den Temperaturmessungen in entsprechender Höhe kombiniert.
Generell weisen die einen ähnlichen Verlauf, weichen jedoch insbesondere in den
Wintermonaten erheblich voneinander ab (Abbildung 5).
Abb. 5: Helligkeitstemperatur aus AVHRR-Daten (11 und 12μm) und
Lufttemperatur am Oberrand von Wolken aus Radiosondenaufstiegen an der
Station Halley im Jahr 2004.
Probleme bei diesem Vergleich ergeben sich aus mehrerlei Gründen. Zum einen sind die
beiden Größen nur bedingt miteinander vergleichbar, zum anderen wird bei den
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Radiosondenmessungen durch Verdriftung mit dem Wind die geographische Zuordnung der
Messdaten mit zunehmender Höhe unpräzise.
IV. Ausblick
Die klimatologische Analyse der synoptischen Beobachtungen ist weitgehend abgeschlossen.
Diese Aufzeichnungen stellen den kontinuierlichsten der Datensätze dar. Obwohl ein
subjektiver Einfluss des Beobachters bei der Wolkenbeobachtung nicht ausgeschlossen
werden kann, haben die meteorologischen Stationsdaten und synoptischen Beobachtungen bei
der klimatologischen Analyse zu schlüssigen Ergebnissen geführt.
Bei den AVHRR-Daten ist das Hauptproblem bei der Wolkenerkennung die Unterscheidung
zwischen dem Eis und Schnee der Oberfläche und den Wolken. Generell muss bei der
Zusammenführung verschiedener Messmethoden berücksichtigt werden, dass oft nicht exakt
vergleichbare Parameter erhoben werden, oder unterschiedliche Randbedingungen der
Messungen den direkten Vergleich erschweren.
Zurzeit wird daran gearbeitet, die AVHRR-Daten des ARIES-Archivs für die Verwendung
des Modells CASPR aufzubereiten. Erst damit kann die eigentliche Auswertung der
Satellitendaten und die Erstellung einer räumlich hochaufgelösten Wolkenklimatologie für
Teile der Antarktis beginnen. Des weiteren sollen parallel hierzu Daten von CALIPSO,
CloudSat und GLAS in die Untersuchung mit einbezogen werden.
Spätestens im kommenden Jahr ist mit dem Abschluss der logistischen Vorbereitungen für die
Flugzeugmessungen zu rechnen, so dass im australischen Frühjahr und Sommer 2008/9 die
Messungen mit CAPS von Rothera aus stattfinden können. Diese Messungen werden einen
direkten Vergleich physikalischer Größen und Prozesse in und im Umfeld von Wolken mit
den aus CASPR und AVHRR-Daten gewonnenen Größen ermöglichen.
V. Literatur:
1. Key, J. (2002): The Cloud and Surface Parameter Retrieval (CASPR) System for Polar
AVHRR User’s Guide. Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies, University of Wisconsin, 1225 West Dayton St., Madison, WI 53562, 61 pp.
2. King, J. C., J. Turner, G. J. Marshall, W. M. Connolley, and T. A. Lachlan-Cope (2004):
Antarctic Peninsula Climate Variability And Its Causes As Revealed By Analysis Of
Instrumental Records. Antarctic Peninsula Climate Variability: A historical and
Paleoenvironmental Perspective, E. Domack, A. Burnett, P. Convey, M. Kirby, and R.
Bindschadler, Eds., American Geophysical Union, 17-30.
3. Turner, J., S. R. Colwell, G. J. Marshall, T. A. Lachlan-Cope, A. M. Carleton, P. D. Jones,
V. Lagun, P. A. Reid, and S. Iagovkina (2005): Antarctic climate change during the last
50 years. International Journal of Climatology, 25, 279-294.
4. Vaughan, D. G., G. J. Marshall, W. M. Connolley, J. C. King, and R. M. Mulvaney
(2001): Devil in the detail. Science, 293, 1777-1779.
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