Influence of ice crystal habit and cirrus spatial inhomogeneities on the retrieval of cirrus optical thickness and effective radius [Elektronische Ressource] / Heike Kalesse

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

Influence of Ice Crystal Habit and
Cirrus Spatial Inhomogeneities on
the Retrieval of Cirrus Optical
Thickness and Effective Radius
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat)
Heike Kalesse
Johannes Gutenberg-Universita¨t Mainz
Fachbereich 08 fur Physik, Mathematik und Informatik¨
vorgelegt von
Heike Kalesse, geb. Eichler
geboren in Muhlhausen / Thuringen¨ ¨
Mainz, 16.12.2009Summary
This PhD thesis investigates the influence of ice crystal habit and cirrus spatial inhomo-
geneities on the retrieval of cirrus optical thickness and effective ice particle radius. For this
purpose airborne spectral solar radiation measurementsas well as solar and thermal infrared
radiative transfer simulations are conducted. Airborne spectral upwelling radiance data are
obtained with the Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem (SMART-
Albedometer) within the frame of the CIRrus CLoud Experiment-2 (CIRCLE-2) in May
2007. Based on these radiance data a cloud retrieval algorithm is employed to derive cirrus
optical thickness and particle effective radius from one-dimensional (1D) radiative trans-
fer calculations. The influence of ice particle shape on retrieved properties is evaluated by
variation of the ice particle single-scattering properties in the retrieval. Also, the impact
of ice particle habit on cirrus radiative forcing is studied by radiative transfer simulations.
The question of relative importance of cirrus spatial heterogeneity and ice particle shape
is addressed via three-dimensional (3D) and independent pixel approximation (IPA) cirrus
radiative transfer calculations. This analysis is based on an exemplarily model cloud gener-
atedfromdatacollectedduringtheNationalAeronauticsandSpaceAdministration(NASA)
4Tropical Composition, Cloud, and Climate Coupling (TC ) experiment in summer 2007 in
Costa Rica. For this specific case it is found that locally both - shape effects and 3D effects
- can be of the same magnitude (up to about 40–60% over- and underestimation of cirrus
opticalthicknessandeffectiveradius). However,ondomainaverage,iceparticleshapeeffects
bias the retrievals more strongly than 3D effects.Zusammenfassung
DieseDissertationuntersuchtdenEinflussvonEiskristallformundra¨umlicherInhomogenit¨at
von Zirrenauf das Retrievalvon optischerWolkendickeund effektivemEispartikelradius. Zu
diesem Zweck werden flugzeuggetragene spektrale Messungen solarer Strahlung sowie solare
und langwellige Strahlungstransfersimulationen durchgefuhrt. Flugzeuggetragene spektrale¨
aufwartsgerichtete Radianzen (Strahldichten) sind mit dem SMART-Albedometer (Spectral¨
ModularAirborneRadiationmeasurementsysTem)wahrenddesCIRCLE-2(CIRrusCLoud¨
Experiment-2) Feldexperiments im Mai 2007 gemessen worden. Basierend auf diesen Radi-
anzdaten werden mittels eines Wolkenretrievalalgorithmus optische Wolkendicken und effek-
tiveEispartikelradienanhandvoneindimensionalenStrahlungstransferrechnungenbestimmt.
Die Auswirkung der Annahme unterschiedlicher Eiskristallformen auf die retrievten Param-
eter wird durch Variationder Einfachstreueigenschaftender Eispartikeluntersucht. Daru¨ber
hinaus wird mittels Strahlungstransferrechnungen auch der Einfluss der Eiskristallform auf
den Strahlungsantrieb von Eiswolken ermittelt. Die Frage nach dem relativen Einfluss von
raumlicher Wolkeninhomogenitat und Eiskristallform wird anhand von dreidimensionalen¨ ¨
und independent pixel approximation (IPA) Strahlungssimulationen untersucht. Die Anal-
yse basiert auf einer Modelleiswolke, die aus Daten des NASA (National Aeronautics and
4Space Administration) TC (Tropical Composition, Cloud, and Climate Coupling) Feldex-
perimentsimSommer2007inCostaRicaerzeugtwurde. LokalgesehenkonnenbeideEffekte¨
- Eiskristallformund r¨aumliche Eiswolkeninhomogenit¨at- die gleiche Gro¨ssenordnung haben
¨und zu einer Unter- bzw. Ubersch¨atzung der retrievten Parameter um 40–60% fu¨hren.
Gemittelt u¨ber die ganze Wolke ist jedoch der Einfluss der Eiskristallform viel bedeutender
als der von ra¨umlichen Inhomogenita¨ten.Contents iii
Contents
1 Introduction 1
1.1 Occurence, Formation, and Properties of Cirrus . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Influence of Cirrus on the Radiative Energy Budget . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Remote Sensing of Cirrus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Definitions 11
2.1 Radiative Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Optical and Microphysical Cirrus Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Single-scattering Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Microphysical Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.3 Volumetric Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Radiative Transfer Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Experimental 21
3.1 The SMART-Albedometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Radiometric Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.3 Measurement Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 The CIRCLE-2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2 Radiation Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.3 Additional Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.4 Case Study of May 22, 2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Retrieval Methodology 36
4.1 Radiative Transfer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.1 Basic Model Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.2 Spectral Surface Albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.3 Measured and Modelled Clear-Sky Radiance Spectra . . . . . . . . . . 38
4.1.4 Optical and Microphysical Cirrus Properties. . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2 Bispectral Reflectance Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5 Ice Crystal Shape Effects 46
5.1 Impact of Ice Crystal Habit on Retrieved Properties . . . . . . . . . . . . . . 46
5.1.1 Cirrus Optical Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.1.2 Ice Particle Effective Radius. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49iv Contents
5.1.3 Influence of Surface Albedo and Retrieval Mesh Density . . . . . . . . 51
5.1.4 Influence of Wavelengths Used in the Retrieval . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Impact of Ice Crystal Habit on Cirrus Radiative Forcing . . . . . . . . . . . . 53
5.2.1 Solar Radiative Forcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.2 Thermal Infrared Radiative Forcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.3 Broadband Net Radiative Forcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6 Cirrus Spatial Heterogeneity Versus Crystal Shape Effects 65
46.1 The TC Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.1.2 Input Cloud Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2.1 Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2.2 Radiative Transfer Modelling and Cirrus Retrieval . . . . . . . . . . . 71
6.2.3 Consistency Check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.2.4 Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.3 Cloud Retrieval Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3.1 3D Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3.2 Ice Particle Shape Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3.3 3D versus Shape Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7 Summary, Conclusions, and Outlook 86
7.1 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.1.1 Ice Particle Shape Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.1.2 Relative Importance of Ice Particle Shape and 3D Cloud Structure . . 88
7.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2.1 Sensitivity Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2.2 Validation of Satellite Retrievals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.2.3 Tandem Measurement Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Bibliography 93
List of Symbols 107
List of Abbreviations 110
List of Figures 112
List of Tables 114
Index 115
Curriculum Vitae 1151
1 Introduction
One of the most challengingproblemsof currentclimateresearchprograms is in understand-
ing the impact of clouds on the global radiation energy budget. In that context, so-called
cloudretrievalshavebeendevelopedtoinfermacro-andmicrophysicalcloudpropert