Universität zu Köln

Mech, Mario (2008). Potential of millimeter- and submillimeter-wave satellite observations for hydrometeor studies. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The distribution of hydrometeors is highly variable in space and time, since it is the result of a complex chain of processes with scales from microphysical (1e-6 m) to synoptical (1e3 m). It is a challenging task to observe these highly variable atmospheric constituents on a global scale with a temporal and spatial resolution sufficient for numerical weather prediction (NWP) and hydrological purposes. This study investigates the potential of the millimeter- and submillimeter-wavelength range on space-borne sensors for hydrometeor and surface precipitation rate observations. The approach is based on simulations with cloud resolving models (CRMs) coupled to a radiative transfer (RT) model. The simulations are performed for mid-latitude cases covering a broad band of precipitation events such as heavy convective and light stratiform winter precipitation. Realistic atmospheric conditions were simulated with two mesoscale CRMs: the Meso-scale NonHydrostatic model (Meso-NH) on a 10 km and the COSMO-DE (COnsortium for Small-scale MOdeling-DEutschland) on a 2.8 km horizontal resolution. When calculating brightness temperatures for satellite observations with the one-dimensional radiative transfer model MWMOD (MicroWave MODel), the detailed cloud microphysics and the three-dimensional fields of temperature, humidity, and pressure of the CRMs are considered in the calculation of the interaction parameters. The model framework has been evaluated by comparing the simulated brightness temperature fields to observations of the Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) as well as to those of the Advanced Microwave Sounding Unit-B (AMSU-B). The results show a good agreement as long as the CRMs capture the atmospheric situation correctly. Consequently, by coupling the radiative transfer model for microwave radiation to CRMs it is possible to evaluate these models through comparison to microwave satellite observations. Brightness temperatures for frequencies between 50 and 428 GHz at nine observation angles have been simulated for five mid-latitude cases at two time steps. In combination with the vertically integrated hydrometeor contents, these brightness temperature simulations have been used to set up a database. On the basis of this database simple retrieval algorithms have been developed to estimate the potential of the millimeter- and submillimeter-wavelength region for precipitation and hydrometeor observations. The results show, that especially for snow and graupel, the total column content can be retrieved accurately with relative errors smaller than 20% in stratiform precipitation cases over land and ocean surfaces. The performance for rain water path is similar to the one for graupel and snow in light precipitation cases. For the cases with higher precipitation amounts, the relative errors for rain water path are larger especially over land. The same behavior can be seen in the surface rain rate retrieval with the difference that the relative errors are doubled in comparison to the rain water path. Algorithms with a reduced number of frequencies show that window channels at higher frequencies are important for the surface rain rate retrieval. These are sensitive to the scattering in the ice phase related to the rain below. For the frozen hydrometeor retrieval, good results can be achieved by retrieval algorithms based only on frequencies at 150 GHz and above which are suitable for geostationary applications due to their reduced demands concerning the antenna size.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Potential von Satellitenbeobachtungen im Millimeter- und Submillimeterwellenlängenbereich für Hydrometeorstudien German
Translated abstract:	Abstract Language Die Verteilung von Hydrometeoren ist räumlich und zeitlich sehr variabel, da sie das Ergebnis einer komplexen Prozesskette im Bereich von mikrophysikalischen (1e-6 m) bis zu synoptischen (1e3 m) Skalen ist. Die Beobachtung dieser hochgradig variablen Atmosphärenbestandteile auf globaler Skala mit einer für die numerische Wettervorhersage (numerical weather prediction, NWP) und hydrologische Anwendungen ausreichenden zeitlichen und räumlichen Auflösung ist eine große Herausforderung. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential von weltraumgestützten Sensoren im Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängenbereich zur Beobachtung von Hydrometeoren und Niederschlagsraten untersucht. Hierzu werden Simulationen mit wolkenauflösenden Modellen (cloud resolving models, CRMs) an ein Strahlungsübertragungsmodell (radiative transfer, RT) gekoppelt. Die Simulationen wurden für verschiedene Niederschlagsfälle in den mittleren Breiten durchgeführt. Es wird dabei ein breites Band an Niederschlagsereignissen, wie z.B. starke, konvektive und schwache, stratiforme Winterniederschläge, abgedeckt. Realistische Atmosphärenzustände wurden mit zwei mesoskaligen CRMs simuliert: Meso-NH (Mesoscale NonHydrostatic model) und COSMO-DE (COnsortium for Small-scale MOdeling-DEutschland) mit horizontalen Auflösungen von 10 km bzw. 2,8 km. Zur Berechnung der Helligkeitstemperaturen mit dem eindimensionalen Strahlungstransfermodell MWMOD (MicroWave MODel) wurden die detaillierte Wolkenmikrophysik sowie die dreidimensionalen Felder der Temperatur, der Feuchtigkeit und des Drucks aus den CRMs in die Berechnung der Interaktionsparameter einbezogen. Das Modellsystem wurde evaluiert, indem simulierte Helligkeitstemperaturfelder mit Beobachtungen vom Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) sowie von der Advanced Microwave Sounding Unit-B (AMSU-B) verglichen werden. Die Ergebnisse stimmen gut überein, solange die CRMs die Atmosphärensituation richtig wiedergeben. Durch die Kopplung des Strahlungsübertragungsmodells an CRMs ist es somit möglich, die Qualität der Wolkenmodelle anhand von Satellitenbeobachtungen im Mikrowellenbereich zu bewerten. Für fünf Niederschlagsfälle in den mittleren Breiten zu zwei Zeitpunkten wurden Helligkeitstemperaturen für Frequenzen zwischen 50 und 428 GHz für neun Beobachtungswinkel simuliert. Kombiniert mit den vertikal integrierten Hydrometeorgehalten wurde aus den simulierten Helligkeitstemperaturen eine Datenbank erstellt. Basierend auf dieser Datenbank wurden einfache Retrievalalgorithmen entwickelt, um das Potential des Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängenbereichs zur Niederschlags- und Hydrometeorbeobachtung abzuschätzen. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders für Schnee und Graupel der Gesamtgehalt gut wiedergewonnen werden kann. Dabei treten relative Fehler unter 20% für schichtförmige Niederschlagsereignisse über Land- und Meeresoberflächen auf. Die Leistungsfähigkeit bei der Ableitung des Regenwasserpfades ähnelt der für Graupel und Schnee in Fällen mit leichtem Niederschlag. Für Fälle mit größeren Niederschlagsmengen sind die relativen Fehlern besonders über Land größer. Ein ähnliches Verhalten wird für das Niederschlagsretrieval beobachtet, die relativen Fehler sind jedoch im Vergleich zum Regenwasserpfad doppelt so groß. Algorithmen mit reduzierter Frequenzanzahl zeigen, dass Fensterkanäle bei höheren Frequenzen wichtig für das Niederschlagsretrieval sind. Diese sind sensitiv auf die Streuung an der Eisphase, die mit dem Niederschlag darunter verbunden ist. Für die Ableitung der gefrorenen Hydrometeore konnten gute Ergebnisse mit Algorithmen erzielt werden, die nur auf Frequenzen von 150 GHz und darüber basieren. Diese sind aufgrund ihres geringen Anspruches bezüglich der Antennengröße für geostationäre Anwendungen geeignet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Mech, Mario mech@meteo.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-23664
Date:	2008
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Satelliten , Mikrowellen , Hydrometeore , Retrieval German satellite , microwave , hydrometeor , retrieval , crm English
Date of oral exam:	19 February 2008
Referee:	Name Academic Title Crewell, Susanne Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2366