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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
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.
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung .......................................................................................................................... 1
2. Theorie ............................................................................................................................... 2
2.1. Wolkeneigenschaften und Strahlungshaushalt ........................................................... 2
2.1.1. Wolkentröpfchenkonzentration ........................................................................... 2
2.1.2. Effektiver Radius ................................................................................................... 2
2.1.3. Optische Dicke ...................................................................................................... 3
2.1.4. Flüssigwassergehalt .............................................................................................. 3
2.1.5. Planetare Albedo .................................................................................................. 4
2.1.6. Langwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre ................................... 4
2.1.7. Kurzwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre .................................... 4
2.1.8. Bedeckungsgrad ................................................................................................... 5
2.2. Änderung der Wolkeneigenschaften und des Strahlungshaushaltes ......................... 5
3. Methodik ............................................................................................................................ 7
3.1. Strahlungsdaten ........................................................................................................... 7
3.2. Bevölkerungsdaten und Maske ................................................................................... 8
4. Ergebnisse ........................................................................................................................ 10
4.1. Wolkentröpfchenkonzentration ................................................................................ 10
4.2. Effektiver Radius ........................................................................................................ 11
4.3. Wolken Optische Dicke .............................................................................................. 13
4.4. Aerosol Optische Dicke .............................................................................................. 14
4.5. Flüssigwassergehalt ................................................................................................... 16
4.6. Planetare Albedo ....................................................................................................... 16
4.7. Langwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre ......................................... 17
4.8. Kurzwellige Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre ......................................... 18
4.9. Bedeckungsgrad......................................................................................................... 18
5. Qualität der Ergebnisse und Fehlerquellen...................................................................... 20
5.1. Schwellenwert ........................................................................................................... 20
5.2. Lee und Luv ................................................................................................................ 21
5.3. Fehlerquellen ............................................................................................................. 21
6. Zusammenfassung ............................................................................................................ 23
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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.
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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.
2.1.1. Wolkentröpfchenkonzentration
Die Wolkentröpfchenkonzentration gibt die Anzahl der Wassertröpfchen pro Volumen an.
2.1.2. 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:
(1.1)
(1.2)
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Der effektive Radius ergibt sich aus:
Zur Ermittlung des effiktiven Radius werden hauptsächlich zwei verschiedene solare
Spektralkanäle benutzt.
2.1.3. 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:
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.
2.1.4. 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.
(1.3)
(1.4)
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Der Flüssigwasserpfad ergibt sich aus:
mit
gibt hier die Dichte des Wassers bei einer bestimmten Temperatur an.
2.1.5. 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“.
2.1.6. 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“.
2.1.7. 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
(1.6)
(1.5)
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den Zusatz „clear sky“ und gibt den solaren Strahlungsfluss, welcher ausschließlich von der
Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektiert wird, an.
2.1.8. 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.
2.2. 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.
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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.
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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. 2003. 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.
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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.
3.2. 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. 1.1.
Abb. 1.1: Darstellung der urbanen Gebiete mit dem Schwellenwert 500 Einwohner pro km².
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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. 1.2.
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°).
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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.
4.1. 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. 2.1. 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. 2.2. 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.
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Abb. 2.2: Darstellung der Wolkentröpfchenkonzentration für einzelne Kontinente.
4.2. 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. 2.3. Der Radius ist in allen Gebieten kleiner als
der durchschnittliche globale Wert von .
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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.
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4.3. Wolken Optische Dicke
Die optische Dicke der Wolken ist in den urbanen Gebieten etwas größer als in deren
Umgebungen, s. Abb. 2.5. 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. 2.6.
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. 2.7. Ein möglicher Grund für das Entstehen dieser
Abweichungen könnte die Separierung sind, welche unter 5.3. als Fehlerquelle beschrieben
wird.
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Abb. 2.7: Darstellung der Wolken Optischen Dicke für Nordindien, Bangladesch und Asien.
4.4. 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. 2.8. 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. 2.9. 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.
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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.
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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.
4.6. 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. 2.10. 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.
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Abb. 2.11: Darstellung der Planetaren Albedo für Nordindien (clear sky) und Bangladesch (clear sky).
4.7. 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. 2.12. 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).
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Bei den Werten welche bei wolkenlosem Himmel (clear sky) ermittelt wurden, ergeben sich
ebenso keine großen Unterschiede.
4.8. 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. 2.13.
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.
4.9. Bedeckungsgrad
Bei dem Bedeckungsgrad wurden keine markanten Unterschiede zwischen City und U
festgestellt, s. Abb. 2.14. Tendenziell scheint über urbanen Gebieten etwas weniger
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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.
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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. 3.1. 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).
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Abb. 3.3: Darstellung des effektiven Radius bei den Schwellenwerten 250 (links), 500 (Mitte) und 1000 (rechts).
5.2. 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.
5.3. 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
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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.
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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 Tröpfchen-
konzentration 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.
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Literaturverzeichnis
Geier E., Green R., Kratz D., Minnis P., Miller W., Nolan S., Franklin C., 2003. 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., 2004. Die Atmosphäre der Erde: Eine Einführung in die Meteorologie.
3. Auflage, Springer-Verlang Berlin Heidelberg.
Nakajima T. und King M., 1990. Determination of the Optical Thickness and Effective Particle Radius of
Clouds from Reflected Solar Radiation Measurments.
Part I: Theory
Rogers R. und Yau M., 1989. 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.
(http://sedac.ciesin.columbia.edu/data/collection/gpw-v3)
Wang P., 2013. Physics and Dynamice of Clouds and Precipitation.
Seite | 25
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