Abbildung 8.9:Beispiel des Problems der falsch verfolgten Wolke. Bild mit nicht invertierter Farbskala. Weiß ist die durch den Algorithmus markierte Wolke, Schwarz ist die manuell markierte Wolke, der obere schwarze Bereich ist die „clear sky“-Fläche; 27.01.2009 15:00 UTC
8.4 Vergleich der beiden Verfahren
Der Vergleich der beiden Algorithmen hat gezeigt, dass es durchaus möglich ist die Wol-ken automatisch zu verfolgen und teilweise auch vernünftige Ergebnisse zu erhalten.
Allerdings zeigen sich hier für diese Anwendung doch große Probleme, weshalb auch an dieser Stelle darauf verzichtet wurde eine große Anzahl Wolken zu analysieren und diese statistisch auszuwerten. Zum einen wurden Probleme, die frühen und die späten Pha-sen des Wolkenlebenszykluses zu erfasPha-sen, erkannt, was an der gewählten maximalen Temperatur liegt, die aber wiederum wohl gewählt ist (siehe zu Beginn dieses Kapitels).
Der Algorithmus liefert in seiner jetzigen Form nicht die für diesen Zweck gewünschten Ergebnisse, da einzelne Wolken noch nicht zuverlässig und komplett verfolgt werden konnten, wie ebenfalls weiter oben bereits beschrieben wurde.
Kapitel 9
Schlussbetrachtung und Ausblick
9.1 Schlussbetrachtung
Die Energiebilanz der Atmosphäre und auch der Wolken wird meist nur im Mittel be-trachtet, wie zum Beispiel in Ramanathan et al. (1989) und Kato et al. (2008) beschrieben.
In dieser Arbeit wurde der Wolkenstrahlungseffekt für einzelne Wolken berechnet indem diese nach der Lagrangen-Darstellung verfolgt wurden. Durch dieses Verfahren wur-de über wur-den Lebenszyklus das gleiche Wolkensystem betrachtet und seine Entwicklung konnte beobachtet und analysiert werden. Die in dieser Arbeit gezeigte Betrachtung des Wolkenstrahlungseffektes ist nur eine exemplarische Betrachtung der Wolken. Sie gibt eine quantitative Information welche Parameter Einfluss auf den Wolkenstahlungseffekt haben. Hier sind vor allem der Wolkenlebenszyklus genannt und auch die Eigenschaften des Untergrundes. Es wird jedoch aufgrund der exemplarischen Betrachtung kein quali-tatives Ergebnis, dass zum Beispiel für alle konvektiven Wolken gilt, bestimmt werden.
Ebenfalls ist die Selektion der Wolken nicht exemplarisch, da viele Wolken im Rahmen der Verfolgung vor allem wegen einer starker Umgebungsbewölkung nicht zweifelsfrei erkennbar sind. Es wurden in dieser Arbeit Wolken betrachtet, deren Lebenszyklus klar erkennbar ist und die sich von der Umgebung abgrenzen.
In Kapitel 7 wurde gezeigt, dass konvektive Wolken einen signifikanten Verlauf ihrer Strahlungseigenschaften zeigen mit einem schnellen und intensiven Abkühlen der Wol-kenoberkantentemperatur. Hierdurch steigt der thermische Wolkenstrahlungseffekt an, der für die Erde eine wärmende Rolle spielt, sofern die Wolkenoberkante nicht wärmer ist als der Boden. Parallel nimmt in der Wolke der Flüssigwassergehalt immer weiter zu, was dazu führt, dass sie optisch dicker wird, was wiederum zur Folge hat, dass sie mehr einfallende Solarstrahlung reflektiert und somit der Erde Energie vorenthält. Nach dem starken Hebungsvorgang der Luftmassen beginnt die Wolkenoberkante sich lang-sam wieder zu senken. Es kann allerdings auch sein, dass sie am oberen Rand abgetragen wird. Gleichzeitig nimmt die Standardabweichung der Wolkenoberkantentemperatur ab, die Wolke wird also an ihrer Oberkante homogener.
Die meisten konvektiven Wolken entstehen durch thermische Konvektion zwischen Mit-tag und Abend, wenn sich durch die solare Einstrahlung der Untergrund so stark
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heizt hat, dass genügend konvektive Energie vorhanden ist und die Luft aufsteigen kann.
Durch die Kondensation von Wasserdampf im Rahmen der Abkühlung wird wiederum latente Energie frei, welche die Luftmasse weiter zum Aufsteigen anregt. Das Auflösen des Wolkensystems wird entweder durch die wegfallende solare Strahlung, aber vor al-lem durch die Abkühlung des Bodens durch Niederschlag oder durch Fallwinde aus der Wolke induziert. Das Auflösen kann unter anderem bis weit nach dem Sonnenuntergang dauern. Da der sich entwickelnde Cirrusschirm die Strahlungsauskühlung verhindert, beziehungsweise stark verlangsamt. Ist der Amboss oder der Cirrusschirm sowie das Wolkensystem groß genug, kann die Konvektion am folgenden Tag wieder aufgenom-men werden, wie in der Wolke 4 im Mai 2008 gezeigt. Dies geschieht dadurch, dass sich das Wolkensystem verlagert und sich an ihrer Front der Boden aufheizt. Normalerweise ist der solare Effekt so intensiv, dass er tagsüber die Erde so stark kühlt, wie die Erde über den gesamten Tag durch den thermischen Effekt erwärmt wird. Allerdings fehlt bei dem oben beschriebenen Wolkenzyklen während einem Großteil des Lebenszyklus der solare Effekt, da sich die konvektiven Zellen oft Nachmittags entwickeln und sich Vormittags auflösen, und somit erhält man für den gemittelten Wolkenstrahlungseffekt einen posi-tiven Wert. Ausgeglichen ist er, wenn die Wolke tagsüber ebensoviel solare Strahlung mehr reflektiert, wie sie auch über den gesamten Zyklus an thermischer Energie weni-ger verliert. Hierzu muss nicht nur die Lebenszeit über Tag und Nacht hinreichend gleich verteilt sein, sondern ebenfalls eine der solaren Einstrahlung gleichbedeutende Tempera-turdifferenz zwischen dem Boden und Wolkenoberkantetemperatur herrschen. Ebenfalls wurde gezeigt, dass sich die Wolken nach der konvektiven Phase in ihrer Fläche ausbrei-ten und somit gerade nachts eine größere Fläche haben als über den Tag. Hierbei muss aber unterschieden werden zwischen der Wolke, die konvektiv aktiv ist, und der Wolke, die sich als Cirrusschirm ausbildet, wenn die kinetische Energie in eine laterale Bewe-gung am Rande der jeweiligen Grenzschicht umgesetzt wird. Dieser Cirrusschirm breitet sich in Abhängigkeit von der konvektiv verfügbaren potentiellen Energie (CAPE) aus.
Dies führt ebenfalls zu einem höheren thermischen Effekt da die Fläche größer ist. Der Wolkenlebenszyklus hat also einen starken Einfluss auf den Strahlungseffekt der Wolken.
Sowohl die Lage der Wolke im Tagesgang als auch der Zeitraum, in dem die Wolke ihre größte Fläche hat, hat einen sehr großen Einfluss auf den Wolkenstrahlungseffekt.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit bestand darin, dass ein Programm zur automatischen Wolkenverfolgung vorgestellt worden ist. Dies hat vor allem den Vorteil, eine große An-zahl an Wolken in relativ kurzer Zeit zu analysieren. So kann man für bestimmte Regio-nen und bestimmte Wolkentypen statistische Wolkenstrahlungseffekte bestimmen. Aller-dings wurde gezeigt, dass dieses Programm nicht ohne manuelle Modifikationen die ge-wünschten Ergebnisse liefert. Die Probleme lagen vor allem darin, dass nicht die gesamte Wolkenfläche ausgegeben wurde, sondern lediglich eine mittlere Wolkenposition und die Pixelanzahl der Wolke. Eine Speicherung der einzelnen Pixel jeder Wolke in jedem Zeit-schritt würde allerdings den Algorithmus verlangsamen und eine große Datenmenge verursachen. Ebenfalls wurde festgestellt, dass nach Verschmelzungs- und Aufspaltungs-vorgängen nicht immer die Ursprungswolke weiter betrachtet wurde und somit nicht sichergestellt ist, dass der Lebenszyklus einer Wolke betrachtet ist. Eine weitere
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