Ist ein Einfluss der Urbanisierung auf Wolken und Strahlung in Satellitendaten erkennbar?

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1 Bachelorarbeit im Studiengang Meteorologie Ist ein Einfluss der Urbanisierung auf Wolken und Strahlung in Satellitendaten erkennbar? Pit Strehl 04. Dezember 2014 Betreuer: Dr. Johannes Quaas Zweitgutachter: Dr. Johannes Mülmenstädt

2 Abstract Wolken spielen im Klimasystem des Planeten eine wichtige Rolle, da sie einen großen Einfluss auf den Strahlungshaushalt haben. Große urbane Gebiete sind nahezu über den gesamten Globus verteilt. Solche Gebiete haben im Vergleich zu deren Umgebung andere Albedowerte, eine höhere Wärmekapazität, sowie einen größeren und Aerosolausstoß. Daher wird in dieser Arbeit untersucht ob eben solche großen urbanen Gebiete einen signifikanten Einfluss auf Wolkeneigenschaften haben. Dazu werden Daten der Bevölkerungsdichte mit Satellitendaten verglichen. Es zeigen sich einige interessante Ergebnisse. Durch höhere Aerosolkonzentrationen über urbanen Gebieten ändern sich Eigenschaften wie Tröpfchengröße und Tröpfchenkonzentration bei gleich bleibendem Wassergehalt in der Wolke. Auch Albedowerte urbaner Gebiete heben sich von denen der Umgebung ab. Es bleibt jedoch unklar ob urbane Gebiete einen signifikanten Einfluss haben und welches Ausmaß veränderte Wolkeneigenschaften auf den Strahlungshaushalt des Planeten haben.

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Theorie Wolkeneigenschaften und Strahlungshaushalt Wolkentröpfchenkonzentration Effektiver Radius Optische Dicke Flüssigwassergehalt Planetare Albedo Langwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre Kurzwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre Bedeckungsgrad Änderung der Wolkeneigenschaften und des Strahlungshaushaltes Methodik Strahlungsdaten Bevölkerungsdaten und Maske Ergebnisse Wolkentröpfchenkonzentration Effektiver Radius Wolken Optische Dicke Aerosol Optische Dicke Flüssigwassergehalt Planetare Albedo Langwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre Kurzwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre Bedeckungsgrad Qualität der Ergebnisse und Fehlerquellen Schwellenwert Lee und Luv Fehlerquellen Zusammenfassung... 23

4 1. Einführung Wolken bedecken den Planeten dauerhaft zu mehr als zweidrittel. Somit tritt ein Großteil der einfallenden solaren und von der Erde emittierten Strahlung auf seinem Weg durch die Atmosphäre mit Wolken in Wechselwirkung. Daraus resultiert ein großer Einfluss auf das Strahlungsgleichgewicht und somit auf den gesamten Klimazustand. Weiterhin sind Wolken für Niederschlag verantwortlich. Flüssiger Niederschlag führt gewöhnlicher Weise zu höherer Vegetation, somit zu dunkleren Böden und einer daraus resultierenden geringeren Bodenalbedo. Schnee hingegen führt zu einer starken Erhöhung der Bodenalbedo. Wolken kühlen im solaren Spektralbereich aufgrund des Albedoeffekts den Planeten ab. Im thermischen Spektralbereich führen sie durch den Treibhauseffekt zu einer Erwärmung. Wobei niedrige dicke Bewölkung abkühlend und hohe dünne Bewölkung erwärmend wirkt. Tröpfchenkonzentration und effektiver Tröpfchenradius sind ausschlaggebend zum Erscheinungsbild der Wolken. Mit steigender Aerosolkonzentration und gleich bleibendem Wassergehalt erhöht sich die Tröpfchenkonzentration in einer Wolke, während der Tröpfchenradius sinkt. Aufgrund dessen ist die Wolke weniger niederschlagreich und langlebiger. Weiterhin erhöht sich die optische Dicke einer Wolke und mit ihr das Reflexionsvermögen. Weniger Niederschlag führt zu geringerer Vegetation und veränderten Bodenalbedowerten. Dies wirkt sich wiederum auf die Strahlungsbilanz aus. Wie sehr urbane Gebiete aufgrund ihres Daseins die Wolkeneigenschaften verändern, wird in dieser Arbeit untersucht. Seite 1

5 2. Theorie 2.1. Wolkeneigenschaften und Strahlungshaushalt Durch die Ableitung von Wolkeneigenschaften aus Satellitendaten kann man Wolken klassifizieren und bestimmen. Somit kann die Höhe, Zustandsform und Wolkengattung ermittelt werden. Um bestimmte Wolkeneigenschaften beschreiben zu können, definiert man die Tröpfchengrößenverteilung, welche hauptsächlich eine Funktion der Temperatur, der Feuchte, des Vorhandenseins an Kondensationskernen und der Vertikalgeschwindigkeit ist. Durch Kenntnis der Tröpfchengrößenverteilung lässt sich die Partikelanzahldichte bestimmen Wolkentröpfchenkonzentration Die Wolkentröpfchenkonzentration gibt die Anzahl der Wassertröpfchen pro Volumen an. (1.1) Effektiver Radius Da der effektive Radius einen enormen Einfluss auf die Streuung der solaren Strahlung in Wolkentröpfchen hat, ist dieser für den Strahlungstransfer in Wolken maßgebend. Die Momente der Größenverteilung sind gegeben duch: (1.2) Seite 2

6 Der effektive Radius ergibt sich aus: (1.3) Zur Ermittlung des effiktiven Radius werden hauptsächlich zwei verschiedene solare Spektralkanäle benutzt Optische Dicke Wenn kurzwellige Strahlung eine Wolke durchläuft wird sie durch Absorption und Reflexion geschwächt. Diese Schwächung der Strahlung beschreibt die optische Dicke einer Wolke. Diese Wolkeneigenschaft kann direkt und invers bestimmt werden. Beim direkten Verfahren wird die Reflexion an der Wolkenobergrenze als Schwächung angesehen. Somit ist das Verfahren einfach, aber ungenau. Das inverse Verfahren hingegen ist zwar aufwendiger, aber genauer. Hierbei ist die optische Dicke gegeben durch: (1.4) ist der Extinktionsquerschnitt, welcher für kugelförmige Tröpfchen im solaren Spaktralbereich in guter Näherung ist. Das innere Integral wird als Extinktionskoeffizient bezeichnet und ergibt durch Integration entlang der vertikalen Wolkenerstreckung von bis die dimensionslose optische Dicke. Diese Größe lässt sich auf Aerosole in einem Volumen und auf Wolken anwenden Flüssigwassergehalt Der Flüssigwasserpfad ist der vertikal integrierte Flüssigwassergehalt einer Säule in einer Wolke. Der Flüssigwassergehalt gibt die Menge von Wasser die als Tropfen in einer Wolke vorkommen an. Seite 3

7 Der Flüssigwasserpfad ergibt sich aus: (1.5) mit (1.6) gibt hier die Dichte des Wassers bei einer bestimmten Temperatur an Planetare Albedo Die Albedo beschreibt das Reflexionsvermögen einer Fläche. Diese dimensionslose Größe hat einen Wertebereich von 0 bis 1. Eine hundertprozentige Reflexion wird durch den Wert 1 angegeben. Die planetare Albedo beschreibt die Albedo des Gesamtsystems, also Erdoberfläche und Atmosphäre. Bei wolkenfreiem Himmel erhält man ausschließlich die Albedo der Aerosole in der Luft und der Erdoberfläche. Dieser Parameter trägt den Zusatz clear sky Langwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre Dieser Parameter ist eine Schätzung des momentanen Wärmeflusses, welcher von der Erdatmosphäre, den Wolken und der Erdoberfläche emittiert und vom Satelliten am oberen Rand der Atmosphäre ermittelt wird. Der Wellenlängenbereich erstreckt sich von 5µm - 100µm. Bei wolkenfreiem Himmel erhält man den Wert des Wärmeflusses, welcher ausschließlich von der Erdoberfläche und der Atmosphäre abgestrahlt wird. Dieser Parameter erhält dann den Zusatz clear sky Kurzwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre Dieser Parameter ist eine Schätzung der momentan von der Erdatmosphäre, den Wolken und der Erdoberfläche reflektierten solaren Strahlung und wird am oberen Rand der Atmosphäre gemessen. Der Wellenlängenbereich erstreckt sich von 0.2µm - 5µm. Dieser Wert kann ebenso bei wolkenfreiem Himmel ermittelt werden. Der Parameter erhält dann Seite 4

8 den Zusatz clear sky und gibt den solaren Strahlungsfluss, welcher ausschließlich von der Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektiert wird, an Bedeckungsgrad Der Bedeckungsgrad gibt die durchschnittliche Bedeckung des Himmels an. Der Wertebereich erstreckt sich von 0 bis 1, wobei 0 einen wolkenlosen und 1 einen zu 100% bedeckten Himmel angeben. Der durchschnittliche Bedeckungsgrad beträgt 61,1%, also ca. zweidrittel. Dieser Wert wurde aus Strahlungsdaten, welche in Abschnitt 3.1 beschrieben werden berechnet Änderung der Wolkeneigenschaften und des Strahlungshaushaltes Die oben beschriebenen Wolkeneigenschaften unterliegen Variationen. Ein Grund für diese Variationen sind Aerosole. Aerosole sind für die Tropfenbildung und somit für die Entstehung von Wolken unabdingbar. Dabei bestimmt mitunter die Aerosolkonzentration die Wolkeneigenschaften. Mit steigender Aerosolkonzentration verringert sich, bei gleichbleibendem Wassergehalt, die durchschnittliche Tröpfchengröße. Dadurch erhöhen sich die optische Dicke, das Reflexionsvermögen und die Tröpfchenkonzentration in der Wolke. Durch die kleineren Tröpfchengrößen wird der Niederschlag verringert und somit die Lebensdauer der Wolke verlängert. Die verschiedenen Wolkeneigenschaften haben für den Strahlungshaushalt eine große Bedeutung. Bei gleicher Temperatur und optischer Dicke gibt es Unterschiede zwischen verschiedenen Wolkentypen. Ein Grund dafür ist, dass sie aus Eis, Wasser oder einer Mischung daraus bestehen. Wolkenhäufigkeit und Bedeckungsgrad über einem bestimmten Gebiet sind ebenso wichtige Größen. Wolken in hohen Luftschichten, beispielsweise Cirrus sind optisch dünn. Sie haben nur ein geringes Reflexions- und Absorptionsvermögen. Ihre Transmission ist hoch. Die terrestrische Strahlung wird absorbiert und wieder transmittiert. Da die Transmission bei sehr geringen Temperaturen stattfindet, also die Temperaturdifferenz zwischen Erdoberfläche und Wolke sehr hoch ist und ein Großteil der solaren Einstrahlung hindurch gelassen wird, sorgen optisch Dünne Wolken für eine mäßige Erwärmung. Seite 5

9 Tiefe Wolken habe eine hohe optische Dicke. Die terrestrische Strahlung welche von der Erdoberfläch ausgestrahlt wird, wird von Wolken absorbiert und remittiert. Die Remission findet bei eine weniger großen Temperaturdifferenz zwischen Erdoberfläche und Wolke statt. Von der solaren Einstrahlung absorbieren und transmittieren sie nur ein geringes Maß. Weiterhin wird ein hoher Teil der solaren Strahlung in den Weltraum zurückgeworfen. Somit führt die Strahlungsbilanz optisch Dicker Wolken zu einer leichten Abkühlung der darunter liegenden Luftschichten. Seite 6

10 3. Methodik 3.1. Strahlungsdaten Die Strahlungsdaten wurden von Instrumenten des Clouds and the Earth s Radiant Energie System (CERES) ermittelt. Zu diesem System gehören drei polarumlaufende Satelliten (TRMM, Aqua und Terra), welche seit 1998 die von der gesamten Atmosphäre abgestrahlte und die von der Erde reflektierte solare Strahlung messen. Dies erfolgt mit Breitbandspektrometern. Mit Hilfe von zeitgleich ablaufenden Messungen anderer Instrumente können zusätzlich Eigenschaften von Wolken bestimmt werden. Ziel ist es, eine erstmalige Langzeitschätzung des Strahlungsflusses innerhalb der Atmosphäre schaffen. Weitere Ziele sind eine Verdoppelung der Genauigkeit von Schätzungen des Strahlungsflusses an der Oberseite der Atmosphäre und Schätzungen über die Eigenschaften von Wolken. Da Wolken die Energiebilanz maßgeblich beeinflussen, sollen die Daten und Ergebnisse zu einem besseren Verständnis des Zusammenspiels zwischen Wolken und Energiebilanz beitragen und somit neue Erkenntnisse über die Mechanismen der globale Klimaänderung schaffen. Die CERES-Instrumente arbeiten mit einem dreikanaligen Radiometer. Der Kurzwellenkanal ist für die Messung des kurzwelligen Sonnenlichts im Bereich von 0.3µm-5µm zuständig. Ein anderer Kanal misst die terrestrische Strahlung im atmosphärischen Fenster von 8µm 13µm und ein weiterer Kanal die gesamte von der Erde ausgesandte Strahlung, [Geier, et al Single Satellite Footprint TOA/Surface Fluxes and Clouds (SSF) Collection Document]. Ebenso werden die Aerosol Optische Dicke, der Tröpfchenradius und die Optische Dicke der Wolken, sowie der Bedeckungsgrad gemessen. Diese Messungen erfolgen durch ein Spektrometer, welches MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) genannt wird und sich auf Terra und Aqua befindet. Das MODIS-Instrument liefert Daten durch 36 verschiedene Spektralbänder im Bereich von 0,4µm bis 14,4µm, wie in [K. Strabala, MODIS Cloud Mask User s Guide, Seite 2-3] nachzulesen ist. Terra führt täglich um 10:30 Uhr Ortszeit und Aqua um 13:30 Uhr Ortszeit die Messungen durch. Durch eine Analyse von Messungen aus bestimmten Zeitreihen kann analysiert werden, wie sehr das Klima der Erde von bestimmten Faktoren beeinflusst wird. Ebenso ist es möglich, die gewonnenen Daten in Klimamodelle einzubinden und Prognosen über zukünftige Gegebenheiten zu treffen. Seite 7

11 Die Daten in dieser Arbeit wurden zwischen 2001 und 2006 ermittelt. Sie standen für jeden einzelnen der 2191 Tage dieser Zeitspanne zur Verfügung. Welche Strahlungsgrößen konkret untersucht wurden wird in Punkt 2.1 beschrieben. Die im Punkt 3.2. beschriebenen Masken wurden auf diese Daten angewandt. Somit entstanden Werte für urbane Gebiete und deren unmittelbarer Umgebung. Für diese Gebiete wurde Mittelwerte und deren Standardabweichung gebildet Bevölkerungsdaten und Maske Die Daten stellen die Bevölkerungsdicht pro km² im Jahr 2000 dar. Die Daten stammen vom Socioeconomic Data und Applications Center (SEDAC) der Columbia University. Die Auflösung der Daten beträgt 360 x 180. Das bedeutet es sind Gitter mit jeweils 1 Länge und Breite. Um einen Vergleich zwischen einem urbanen Gebiet und dessen Umgebung zu schaffen wurden zwei Masken programmiert. Dazu sollen urbane Gebieten auf den Wert 1, deren direkte Umgebung auf den Wert 2 und die restlichen Gebiete auf den Wert 0 gesetzt werden. Eine Maske definiert ein urbanes Gebiet, wenn dort die Bevölkerungsdichte 500 Einwohner pro km² oder mehr beträgt und setzt dieses Gebiet auf 1. Die restlichen Bereiche werden auf den Wert 0 gesetzt, s. Abb Abb. 1.1: Darstellung der urbanen Gebiete mit dem Schwellenwert 500 Einwohner pro km². Seite 8

12 Eine andere Maske definiert die Umgebung. Dazu vergibt sie Gebieten den Wert 2, welche sich um ein Gebiet mit dem Wert 1 befinden. Gebiete mit dem Wert 1 und restliche Bereiche erhalten danach den Wert 0. Es werden drei Umgebungen produziert. Umgebung 1 definiert Gitterpunkte, welche direkt an die urbanen Gebiete angrenzen, s. Abb Abb. 1.2: Darstellung der Umgebung 1. In Umgebung 2 werden doppelt und in Umgebung 3 dreifach so viele Gitterpunkt wie in Umgebung 1 definiert, s. Abb 1.3. Abb. 1.3: Darstellung der Umgebung 2 (links) und Umgebung 3(rechts). Alle erstellten Masken haben ebenfalls eine Auflösung von 1 Länge und Breit (360 x 180 ). Seite 9

13 4. Ergebnisse Die Daten wurden für den gesamten Planeten, sowie für einzelne Kontinente und einzelne Regionen gemittelt. City bezeichnet hierbei die urbanen Gebiete. U 1, U 2 und U 3 bezeichnen die Umgebungen 1-3. Für alle Wolkeneigenschaften werden zuerst die Durchschnittswerte aller urbanen Gebiete und deren Umgebungen analysiert und weltweit genannt. Danach werden gegebenenfalls einzelne Kontinente und Regionen betrachtet. Als global wird der gesamte Globus ohne Maskierung und Separierung bezeichnet Wolkentröpfchenkonzentration Die Wolkentröpfchenkonzentration ist weltweit betrachte in den urbanen Gebieten größer als in deren Umgebungen. Der weltweite Durchschnittswert für urbane Gebiete liegt bei. Die Tröpfchenkonzentration nimmt mit größer werdendem Umgebungsgebiet ab. Die Differenz zwischen City und U 1 beträgt und zwischen City und U3 sogar, s. Abb Der globale Durchschnittswert beträgt. Somit liegen selbst die Werte in den Umgebungsgebieten über dem Durchschnitt. Abb. 2.1: Darstellung der Wolkentröpfchenkonzentration aller urbanen Gebiete und deren Umgebung weltweit. Ähnlich abfallende Wert sind auf den einzelnen Kontinenten ebenfalls festgestellt worden, siehe Abb Die höhere Konzentration an Tröpfchen ist vermutlich auf die höhere Konzentration an Kondensationskeimen in den urbanen Gebieten zurückzuführen. Mit zunehmender Distanz zu urbanen Gebieten nimmt die Konzentration von Kondensationskeimen für gewöhnlich ab. Jedoch darf man bei der Interpretation nicht die Fehlerquellen außer Betracht lassen, siehe Abschnitt 5. Seite 10

14 Abb. 2.2: Darstellung der Wolkentröpfchenkonzentration für einzelne Kontinente Effektiver Radius Der Radius der Wolkentropfen ist im weltweiten Durchschnitt in den urbanen Gebieten geringer als in deren unmittelbarer Umgebung. Mit größer werdendem Umgebungsgebiet nimmt der Radius zu. Dies korreliert gut mit der zunehmenden Tröpfchenkonzentration. Je geringer diese in einem Volumen ist, desto größer können Tropfen werden. Die Differenz zwischen City und U 3 beträgt, s. Abb Der Radius ist in allen Gebieten kleiner als der durchschnittliche globale Wert von. Seite 11

15 Abb. 2.3: Darstellung des effektiven Tröpfchenradius aller urbanen Gebiete und deren Umgebung weltweit. Bei der Betrachtung einzelner Kontinente, s. Abb. 2.4., ist ebenfalls eine zunehmende Tröpfchengröße zu erkennen. Abb. 2.4: Darstellung des effektiven Tröpfchenradius für einzelne Kontinente. Seite 12

16 4.3. Wolken Optische Dicke Die optische Dicke der Wolken ist in den urbanen Gebieten etwas größer als in deren Umgebungen, s. Abb Ein möglicher Grund dafür ist der größer werdende Tröpfchenradius. Abb. 2.5: Darstellung der Wolken Optischen Dicke aller urbanen Gebiete und deren Umgebung weltweit. Auf den einzelnen Kontinenten es ebenso ein Abnehmen der optischen Dicke zu erkennen, s. Abb Abb. 2.6: Darstellung der Wolken Optischen Dicke für einzelne Kontinente. Bei der Betrachtung kleiner Regionen wie Nordindien und Bangladesch wird die optische Dicke jedoch größer, statt kleiner. Asien in der Gesamtheit zeigt jedoch, wie andere Kontinente eine Abnahme, s. Abb Ein möglicher Grund für das Entstehen dieser Abweichungen könnte die Separierung sind, welche unter 5.3. als Fehlerquelle beschrieben wird. Seite 13

17 Abb. 2.7: Darstellung der Wolken Optischen Dicke für Nordindien, Bangladesch und Asien Aerosol Optische Dicke Die Aerosol Optische Dicke sinkt ebenso wie die Wolken Optische Dicke, jedoch zum Teil mit größeren Differenzen. Weltweit betrachtet entsteht zwischen City und U 1 eine Differenz von, s. Abb Der globale Durchschnitt beträgt. In einzelnen Regionen wie beispielsweise Afrika, Europa, Asien und Bangladesch ist ebenso eine hohe Aerosol Optische Dicke in den urbanen Gebieten zu erkennen, welche in den Umgebungsgebieten teilweise schlagartig abnimmt, s. Abb Der Grund für die höhere Aerosol Optische Dicke ist, dass der Ausstoß an Aerosolen in urbanen Gebieten für gewöhnlich höher ist als in deren Umgebung. Seite 14

18 Abb. 2.8: Darstellung der Aerosol Optischen Dicke aller urbanen Gebiete und deren Umgebung weltweit. Abb. 2.9: Darstellung der Aerosol Optischen Dicke für Afrika, Asien, Europa und Bangladesch. Seite 15

19 4.5. Flüssigwassergehalt Es sind keine bemerkenswerten Änderungen am Flüssigwasserpfad zu erkennen. Über manchen Gebieten und Kontinenten nimmt dieser ab, über anderen wiederum erst zu und an ab Planetare Albedo Die Albedowerte sind in urbanen Gebieten höher als in deren Umgebungen. Dies trifft sowohl ohne als auch mit clear sky zu, s. Abb Für einzelne Kontinente erhält man ähnliche Ergebnisse. In der Regel sorgen die Bebauungen in urbanen Gebieten für eine höhere Albedo als in deren Umgebungsgebieten. Abb. 2.10: Darstellung der Planetaren Albedo aller urbanen Gebiete und deren Umgebung weltweit. Links mit Einbezug von Wolken, rechts bei wolkenlosem Himmel (clear sky). Abweichungen von den in Abbildung 2.11 gezeigten Werten können durch die unterschiedlichen Albedowerte der hauptsächlich verwendeten Baumaterialien in einer urbanen Region verursacht werden. Ebenso ist es möglich, dass die Albedowerte des Erdbodens in der Umgebung auf natürliche Weise höher sind als in dem Stadtgebiet, durch eine Wüste zum Beispiel. Deshalb ist, je kleiner man ein zu untersuchendes Gebiet wählt, mehr darauf zu achten welche Faktoren einen ungewollten Einfluss auf die Ergebnisse haben. Durch ungenaue Kenntnisse der Bodenalbedo entstehen Messfehler bei der Optischen Dicke, Aerosol Optischen Dicke und dem effektiven Radius. Seite 16

20 Abb. 2.11: Darstellung der Planetaren Albedo für Nordindien (clear sky) und Bangladesch (clear sky) Langwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre Für die Langwellige Strahlung sind keine aussagekräftigen Ergebnisse entstanden. Weltweit betrachte strahlen urbane Gebiete etwas mehr langwellige Strahlung als deren Umgebung ab, s. Abb Die Differenz beträgt jedoch nur. Ein wahrscheinlicher Grund dafür ist, dass urbane Gebiete sich durch die Bebauung und somit geringeren Windgeschwindigkeiten mehr aufheizen als deren Umgebung und dem entsprechend mehr terrestrische Strahlung abgeben können. Abb. 2.12: Darstellung der langwelligen Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre aller urbanen Gebiete und deren Umgebung weltweit. Links mit Einbezug von Wolken, rechts bei wolkenlosem Himmel (clear sky). Seite 17

21 Bei den Werten welche bei wolkenlosem Himmel (clear sky) ermittelt wurden, ergeben sich ebenso keine großen Unterschiede Kurzwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre Im Folgenden ist die von Erdboden und Atmosphäre reflektierte solare Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre gemeint. Über urbanen Gebieten ist diese etwas höher als üben den Umgebungsgebieten. Das heißt in diesem Fall, dass urbane Gebiete mehr einfallende solare Strahlung reflektieren. Der Vergleich zeigt eine Differenz von ca. zwischen City ( ) und U 1 ( ). Für U 3 ( ) sogar. Die clear-sky-daten zeigen Differenzen von für U 1 bis für U 3, s. Abb Abb. 2.13: Darstellung der kurzwelligen Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre aller urbanen Gebiete und deren Umgebung weltweit. Links mit Einbezug von Wolken, rechts bei wolkenlosem Himmel (clear sky). Auch über einzelnen Kontinenten ist eine geringer werdende reflektierte kurzwellige Strahlung im oberen Rand der Atmosphäre mit zunehmender Distanz zu einem urbanen Gebiet zu erkennen Bedeckungsgrad Bei dem Bedeckungsgrad wurden keine markanten Unterschiede zwischen City und U festgestellt, s. Abb Tendenziell scheint über urbanen Gebieten etwas weniger Seite 18

22 Bewölkung zu sein als über deren Umgebung, jedoch zeigen einzelne Kontinente und Regionen unterschiedliche Ergebnisse. Abb. 2.14: Darstellung des Bedeckungsgrads aller urbanen Gebiete und deren Umgebung. Seite 19

23 5. Qualität der Ergebnisse und Fehlerquellen 5.1. Schwellenwert Der Schwellenwert scheint keinen großen Einfluss auf die Veränderlichkeit der Ergebnisse zu haben. Die Werte der Planetaren Albedo, der Wolkentröpfchenkonzentration und des effektiven Tröpfchenradius sind für verschiedene Schwellenwerte ähnlich. Ebenso sind die Ergebnisse der einzelnen Wolkeneigenschaften über den urbanen Gebieten und Umgebungen ähnlich. Die in Abbildung 4 gezeigten Werte sind gemittelte Werte aller urbanen Gebiete und deren Umgebungen. Dabei werden die Ergebnisse des Schwellenwertes 500 mit den Schwellenwerten 250 und 1000 Einwohner pro km² verglichen. Es zeigt sich, dass der effektive Radius bei allen Schwellenwerten in den urbanen Gebieten kleiner und die Wolkentröpfchenkonzentration größer ist, als in deren Umgebungen, s. Abb. 3.3 und 3.2. Ebenso ist die planetare Albedo über urbanen Gebieten höher, s. Abb Bei anderen Wolkeneigenschaften wurden ähnliche Ergebnisse für unterschiedliche Schwellenwerte festgestellt. Abb. 3.1: Darstellung der planetaren Albedo bei den Schwellenwerten 250 (links), 500 (Mitte) und 1000 (rechts). Abb. 3.2: Darstellung der planetaren Albedo bei den Schwellenwerten 250 (links), 500 (Mitte) und 1000 (rechts). Seite 20

24 Abb. 3.3: Darstellung des effektiven Radius bei den Schwellenwerten 250 (links), 500 (Mitte) und 1000 (rechts) Lee und Luv Um signifikante Ergebnisse zu erhalten ist es erforderlich in den Umgebungsgebieten nur die auf die Windrichtung bezogene Leeseite eines Stadtgebiets zu betrachten. Dadurch wird ein direkter Zusammenhang zwischen urbanem Gebiet und dessen Umgebung geschaffen Fehlerquellen Bei der Analyse einzelner Kontinente und Regionen ist auf geographische Gegebenheiten zu achten. Bei nicht Beachtung von beispielsweise Wüsten und großflächigen Gewässern und Wäldern können Fehlinterpretationen die Auswertung der Ergebnisse verfälschen. Grund dafür ist, dass ungenaue und falsche Werte der Bodenalbedo die Aerosol Optische Dicke, die Wolken Optische Dicke und den effektiven Radius beeinflussen können. Die Werte für Südamerika weichen bei allen untersuchten Wolkeneigenschaften von denen der anderen Kontinente und dem weltweiten Durchschnitt ab. Vermutlich liegt dies an den Überschneidungen der Gebiete am nördlichen Rand des Kontinentes. Denn durch die gewählte Separierung der Regionen können Fehler an den Rändern auftreten. Die Regionen wurden jeweils unter Angabe von zwei Längengraden und zwei Breitengraden ausgewählt. Somit kann es passieren, dass am Rand Teile von Umgebungsgebieten weggeschnitten werden, oder Teile von Umgebungsgebieten welche zu Gebieten hinter dem Rand gehören hinzugenommen werden. Als Beispiel dafür wird Europa und Afrika gezeigt, s. Abb. 4. Die Seite 21

25 grade Linie markiert einen möglichen Verlauf des Randes. Es ist deutlich zu erkennen, dass Teile der Gebiete weggeschnitten werden oder hinüber ragen. Das gleiche Problem tritt im Norden von Südamerika auf. Bei großen Regionen mit vielen urbanen Gebieten, wie beispielsweise Kontinenten, entstehen keine allzu großen Fehler. Die Fehler werden jedoch umso größer, je kleiner ein Gebiet gewählt wird. Bei weiterführenden Untersuchungen ist zu überlegen eine bessere Separierungsmethode zu wählen. Abb. 4: Darstellung der Separierung zwischen Europa und Afrika. Seite 22

26 6. Zusammenfassung Ist ein Einfluss der Urbanisierung auf Wolken und Strahlung in Satellitendaten erkennbar? Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse Unterschiede in den Eigenschaften von Wolken über urbanen Gebieten und deren Umgebungsgebieten zeigen. Jedoch sind die Ergebnisse nicht signifikant genug. Da die gesamte Umgebung um ein urbanes Gebiet untersucht wurde ist keine Kausalität gegeben. Aussagekräftigere Ergebnisse würde man erhalten, wenn im Umgebungsgebiet nur die auf die Windrichtung bezogene Leeseite eines urbanen Gebietes betrachtet werden würde. Des Weiteren ist die Standardabweichung bei einem Großteil der Ergebnisse zu groß, als dass man diese als signifikant bezeichnen könne. Dennoch ist eine Auffälligkeit dadurch gegeben, dass bei den meisten Wolkeneigenschaften ein monotoner Anstieg oder Abfall zwischen City und U 3 zu beobachten ist. Die festgestellten Differenzen fallen sehr unterschiedlich aus. Durchschnittlich ist die Aerosol Optische Dicke in urbanen Gebieten 37.5% größer als in U 3. Die Tröpfchenkonzentration ist 17,2% höher und der Tröpfchenradius 4% kleiner. Dementsprechend ist die Wolken Optische Dicke um 6.4% und die planetare Albedo um 3.9% höher. Weiterhin ist durch die urbanen Bebauungen die Bodenalbedo um 8.2% größer als in den Umgebungen. Demzufolge wird mehr kurzwellige Strahlung über urbanen Gebieten reflektiert. Für das gesamte System Erdoberfläche-Atmosphäre 7% und für clear sky 9,2%. Aufgrund des erhöhten Aerosolausstoßes urbaner Gebiete, ihrer Albedo und ihrer stärkeren Erwärmung können diese die Wolkeneigenschaften beeinflussen. Durch die erhöhte Aerosolkonzentration ändern sich die Konzentration von Wolkentropfen in einem Volumen und deren effektive Radien, bei gleich bleibendem Wassergehalt. Mit einhergehend ändert sich die optische Dicke, die Albedo und das Reflexionsvermögen der Wolken. Die Effekte lassen sich jedoch schwer voneinander unterscheiden. Seite 23

27 Literaturverzeichnis Geier E., Green R., Kratz D., Minnis P., Miller W., Nolan S., Franklin C., Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES). Single Satellite Footprint TOA/Surface Fluxes and Clouds (SSF) Collection Document. Release2. Version 1. Kraus K., Die Atmosphäre der Erde: Eine Einführung in die Meteorologie. 3. Auflage, Springer-Verlang Berlin Heidelberg. Nakajima T. und King M., Determination of the Optical Thickness and Effective Particle Radius of Clouds from Reflected Solar Radiation Measurments. Part I: Theory Rogers R. und Yau M., A short course in Cloud Physics. Pergamon Press. Strabala K., MODIS Cloud Mask User s Guide. Seite 2-3. Socioeconomic Data und Applications Center (SEDAC), Columbia University. ( Wang P., Physics and Dynamice of Clouds and Precipitation. Seite 24

28 Selbständigkeitserklärung Ich versichere, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Die Zeichnungen oder Abbildungen in dieser Arbeit sind von mir selbst erstellt worden. Diese Arbeit ist in gleicher oder ähnlicher Form noch bei keiner anderen Prüfungsbehörde eingereicht worden. Leipzig, den 04. Dezember 2014 Seite 25

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