Universität zu Köln

Xie, Xinxin (2012). Polarized signals from oriented frozen hydrometeors using passive microwave radiometry. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Ice clouds play a significant role in energy budget of the earth-atmosphere system, and they also participate in global hydrological cycle. Thick ice clouds which are associated with precipitation transfer energy and water between the atmosphere and the earth. The net effects of ice clouds on the earth-atmosphere system highly depend on their microphysical properties. However, the complex and variable structure of ice clouds makes it difficult to capture them well in models. The oversimplified microphysical properties of ice clouds in retrievals introduce significant uncertainties in weather and climate studies. The knowledge on the orientation of ice particles is very limited. The orientation of frozen hydrometeors which induces polarization signatures determines the magnitude of polarized signals. In order to investigate the potential polarized signatures induced by the oriented frozen hydrometeors, ground-based polarization observations have been performed at “Umweltforschungsstation Schneefernerhaus” (UFS) on Mount Zugspitze (German Alps) at 2650 m above sea level. In this study, the polarization observations carried out by a ground-based dual polarized microwave radiometer (DPR) at 150 GHz are investigated together with auxiliary instruments deployed at UFS, i.e., a second microwave radiometer (HATPRO) and a K-band micro rain radar (MRR). HATPRO measures liquid water path (LWP) and integrated water vapor (IWV) during snowfall, and MRR operating at 24.1 GHz provides indirect snow water path (SWP) information. Based on the observations, the analysis of a single snow case and one-year snowfall data show that the brightness temperature (TB) differences between the vertical and horizontal polarizations reach up to −10 K at an elevation angle of 34.8^o during snowfall. The polarized signals during snowfall can be explained well by the occurrence of oriented snow particles. The analysis of the synergic observations shows the effects of snowfall parameters on polarization differences (PDs) observed with DPR at 150 GHz. The dependencies of the measured PD and TB on MRR integrated radar reflectivity and independently derived LWP are discussed. It shows that the high SWP indicated by high values of MRR integrated reflectivity enhances both TB and PD due to the scattering effects of snow particles. Meanwhile, TBs are found to be enhanced during snowfall when supercooled liquid water is present, while PD resulting from oriented snow particles is damped by the increase of LWP. The polarization observations support the potential role of polarization measurements in improving retrievals of snowfall microphysical parameters. To evaluate the effects of SWP and LWP on PD and TB, radiative transfer (RT) simulations assuming horizontally aligned snow oblates using a polarized RT model have been performed. PD and TB observations can be captured well by the RT model with given reasonable assumptions on the microphysical parameters of oriented snow oblates. Additionally, the uncertainties of PD and TB caused by snow microphysical properties are fully examined in the RT simulations. The “damping (enhancing)” effects of supercooled liquid water on PD (TB) are further interpreted by a simple physical model where the height of cloud liquid varies with respect to the dichroic snow layer. From the ground-based observations, it is found that PD resulting from oriented snow particles is absorbed by supercooled liquid below snow layers. When supercooled liquid water is located above snow layers, PD is damped since it is compensated by the emission of supercooled liquid water penetrating the snow layer. TB is generally enhanced by the presence of LWP: the warmer the supercooled liquid water, the larger the TB. The polarization observations promote the design of new instruments further. Under an assumption that ice particles are oriented, RT simulations are performed for the space-borne satellite FengYun-4 (FY-4) channels to examine polarization information content for ice cloud characterization. The results show that polarization can be beneficial for ice cloud retrievals and additional information can be provided by polarized signals to quantify ice cloud parameters, especially at high frequency channels. Therefore, the present work strongly suggests the deployment of microwave polarization channels for ice cloud observations.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Eiswolken spielen eine wichtige Rolle im Energiehaushalt des Systems Erde-Atmosphäre und nehmen darüber hinaus auch einen wichtigen Platz im globalen Wasserkreislauf ein. Dicke Eiswolken, welche mit der Niederschlagsentstehung in Verbindung stehen, transportieren Energie und Wasser zwischen Atmosphäre und Erdboden. Der Netto-Effekt von Eiswolken auf das Erde-Atmosphäre System hängt stark von deren mikrophysikalischen Eigenschaften ab. Jedoch macht gerade die komplexe und variable Struktur der Eiswolken es schwierig diese in Modellen abzubilden. Die stark vereinfachten mikrophysikalischen Eigenschaften von Eiswolken in Ableitungsalgorithmen führen daher zu erheblichen Unsicherheiten in Wetter- und Klimastudien. Unser Wissen über die Orientierung von Eispartikeln ist sehr begrenzt. Die Orientierung von gefrorenen Hydrometeoren, welche polarisierte Signale erzeugen können, bestimmt maßgeblich die Stärke der Polarisierung. Um das Potenzial polarimetrischer Signale zu untersuchen, welche durch gefrorene Hydrometeore verursacht werden, wurden bodengebundene polarimetrische Messungen an der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) unterhalb der Zugspitze (Deutsche Alpen) auf 2650 m Höhe (NN) durchgeführt. Im Rahmen dieser Studie wurden polarimetrische Beobachtungen bei 150 GHz von einem boden-gebundenen Dual Polarized Microwave Radiometer (DPR) zusammen mit zusätzlichen Instrumenten, welche auf der UFS installiert waren untersucht. Diese zusätzlichen Instrumente bestanden u.a. aus einem zweiten Mikrowellenradiometer (HATPRO) und einem Mikro-Regenradar (MRR) welches im K-Band arbeitet. Mit HATPRO können der vertikal integrierte Flüssigwassergehalt (LWP) sowie der integrierte Wasserdampfgehalt (IWV) während Schneefall gemessen werden, während das MRR, welches bei 24.1 GHz betrieben wird, eine indirekte Information über den vertikal integrierten Schneewassergehalt (SWP) liefert. Basierend auf diesen Beobachtungen ergaben die Analysen eines einzelnen Schneefallereignisses sowie des gesamten einjährigen Schneefalldatensatzes, dass die Unterschiede in den Strahlungstemperaturen (TB) zwischen vertikaler und horizontaler Polarisationsrichtung während Schneefall bis zu −10 K bei einem Elevationswinkel von 34,8^o betragen. Die Polarisationssignale während der Schneefallereignisse können durch das Auftreten von orientierten Schneepartikeln erklärt werden. Zusammen mit den anderen Beobachtungen zeigte die Untersuchung den Einfluß der verschiedenen Schneefallparameter auf die Polarisationsdifferenzen (PDs) bei 150 GHz welche mit dem DPR gemessen wurden. Außerdem werden in dieser Arbeit die Abh¨angigkeiten der gemessenen PD und TB von der mittels MRR gemessenen integrierten Radarreflektivität und dem unabhängig abgeleiteten LWP diskutiert. Es zeigt sich, dass die hohen SWP Werte, angezeigt durch hohe Werte der vom MRR gemessenen integrierten Radarreflektivität, durch Streueffekte an den Schneepartikeln zu erhöhten TB und PD führen. Die TBs sind ebenfalls erhöht bei Schneefallereignissen, welche unterkühltes Flüssigwasser enthalten. Im Gegensatz dazu, werden die PDs, hervorgerufen durch orientierte Schneepartikel, durch zunehmende LWP Gehalte gedämpft. Die Polarisationsbeobachtungen bestätigen daher das Potenzial polarisierter Beobachtungen für die Verbesserung der Ableitung mikrophysikalischer Schneefallparameter. Um die Effekte von SWP und LWP auf die PD und TB genauer zu untersuchen, wurden Strahlungstransportsimulationen (RT) mit einem polarisierten Strahlungstransportmodell und horizontal orientierten Schnee-Ellipsoiden durchgeführt. Die beobachteten Werte von TB und PD können unter Annahme realistischer Werte für die mikrophysikalischen Eigenschaften der Schnee-Ellipsoide gut durch die RT-Simulationen wiedergegeben werden. Ebenfalls wurden die Unsicherheiten der TB und PD, welche durch die variablen mikrophysikalischen Schneefalleigenschaften verursacht werden, eingehend mittels RT Simulationen untersucht. Der ”dämpfende (erhöhende)” Effekt des unterkühlten Flüssigwassers auf die PD (TB) wurde weitergehend mittels eines einfachen physikalischen Modells überprüft, bei dem die Höhe der Flüssigwasserschicht in Bezug zur Schneefallschicht variiert werden kann. Bodengebundene Beobachtungen ergaben, dass die durch orientierte Schneepartikel hervorgerufenen PD von Flüssigwasserschichten unterhalb der Schneefallschicht absorbiert werden. Wenn die unterkühlte Flüssigwasserschicht sich hingegen über der Schneefallschicht befindet, führt dies zu einer Dämpfung der PD, da es durch die Emission des unterkühlten Flüssigwassers, welches die Schneefallschicht durchdringt, kompensiert wird. Die TB werden jedoch grundsätzlich durch das Vorhandensein von unterkühltem Flüssigwasser erhöht: Je wärmer das unterkühlten Flüssigwasser dabei ist, desto höher sind die korrespondierenden TB. Die Polarisationsbeobachtungen bestärken die Entwicklung neuer Messinstrumente. Unter der Annahme orientierter Eispartikel wurden RT Simulationen für die Frequenzkanäle des Satelliten FengYun-4 (FY-4) durchgeführt um den Informationsgehalt polarisierter Messungen für die Charakterisierung von Eiswolken zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass Polarisationsmessungen wertvoll sein können für Ableitungsalgorithmen von Eiswolken. Besonders bei den hochfrequenten Frequenzkanälen können Polarisationsmessungen zusätzliche Informationen liefern um Parameter von Eiswolken zu quantifizieren. Ausgehend von den Ergebnissen der hier vorgestellten Arbeit ist es deshalb äußerst empfehlenswert für die Beobachtung von Eiswolken polarisierte Mikrowellenempfänger einzusetzen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Xie, Xinxin xxie@smail.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-47756
Date:	23 April 2012
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:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language polarized signals, oriented frozen hydrometeors, microwave radiometry, radiative transfer English
Date of oral exam:	26 June 2012
Referee:	Name Academic Title Crewell, Susanne Prof. Dr. Simmer, Clemens Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4775