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)

Seite | 4

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)

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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.

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Rogers R. und Yau M., 1989. A short course in Cloud Physics.

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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