Résumé non disponible / Résumé non disponible

Diese Arbeit betrachtet die Wechselwirkung von solarer Einstrahlung mit Wolken in der Atmosphäre. Diese wird insbesondere repräsentiert durch den Wolkenstrahlungseffekt. Hierbei wurde vor allem auf die Auswirkungen von kleinskaliger Variabilität von Wolken und Wolkenfeldern auf die Genauigkeit des Wolkenstrahlungseffektes am Oberrand der Atmosphäre und am Boden Rücksicht genommen. Mit einer Schliessungsstudie ist der modellierte Wolkenstrahlungseffekt mit Schiffsmessungen verglichen worden. Hierbei wurden die Wolkeneigenschaften in dem Modell durch Schiffs- und Satellitendaten als Eingangsdatensatz beschrieben. Ein Zugewinn in der Genauigkeit konnte durch die kombinierte Nutzung beider Datenquellen erzielt werden, konkret durch die Kombination des Flüssigwasserpfads aus Schiffsmessungen und des effektiven Radius aus Satellitenbeobachtungen. Durch die Schliessungsstudie sind zwei Probleme in der Auflösung kleinskaliger Bewölkung und deren Auswirkung auf abgeleitete Wolkeneigenschaften identifiziert worden, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer betrachtet wurden. Ein Vergleich zweier Methoden zur Erkennung des Bedeckungsgrades, jeweils eine vom Boden und eine vom Oberrand der Atmosphäre, hat insgesamt eine gute Übereinstimmung ergeben. Jedoch zeigten sich Abweichungen bei geringer Bedeckung. So wurde bei einem Bedeckungsgrad von ca. 40% in der Hälfte der Fälle den Satellitenbildpunkt als bewölkt klassifiziert. Diese Unsicherheiten in der Klassifikation konnten auf die abgeleitete reflektierte solare Einstrahlung übertragen werden. Für als unbewölkt erkannte, tatsächlich aber bewölkte, Bildpunkte wurde eine mittlere Überschätzung der reflektierte solare Einstrahlung von ca. 30 W/m−2 gefunden. Ebenfalls wurde der Einfluss der zeitlichen Variabilität in der solaren Einstrahlung auf die Bestimmung des Wolkenstrahlungseffektes einer Wolke untersucht. Hierfür wurde ein lineares Modell entwickelt und präsentiert, das die diffuse Einstrahlung mit dem Bedeckungsgrad in Zusammenhang stellt. Das Modell liefert zwei Koeffizienten, die die Variation der diffusen Einstrahlung durch eine Wolke unter der Annahme, dass die beobachtete Wolke den ganzen Himmel bedeckt, beschreiben. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich des Wolkenstrahlungseffektes einer beobachteten Wolke mit Modellergebnissen und die Entkopplung von der zeitlich variablen direkten Einstrahlung.

Diese Arbeit betrachtet die Wechselwirkung von solarer Einstrahlung mit Wolken in der Atmosphäre. Diese wird insbesondere repräsentiert durch den Wolkenstrahlungseffekt. Hierbei wurde vor allem auf die Auswirkungen von kleinskaliger Variabilität von Wolken und Wolkenfeldern auf die Genauigkeit des Wolkenstrahlungseffektes am Oberrand der Atmosphäre und am Boden Rücksicht genommen. Mit einer Schliessungsstudie ist der modellierte Wolkenstrahlungseffekt mit Schiffsmessungen verglichen worden. Hierbei wurden die Wolkeneigenschaften in dem Modell durch Schiffs- und Satellitendaten als Eingangsdatensatz beschrieben. Ein Zugewinn in der Genauigkeit konnte durch die kombinierte Nutzung beider Datenquellen erzielt werden, konkret durch die Kombination des Flüssigwasserpfads aus Schiffsmessungen und des effektiven Radius aus Satellitenbeobachtungen. Durch die Schliessungsstudie sind zwei Probleme in der Auflösung kleinskaliger Bewölkung und deren Auswirkung auf abgeleitete Wolkeneigenschaften identifiziert worden, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer betrachtet wurden. Ein Vergleich zweier Methoden zur Erkennung des Bedeckungsgrades, jeweils eine vom Boden und eine vom Oberrand der Atmosphäre, hat insgesamt eine gute Übereinstimmung ergeben. Jedoch zeigten sich Abweichungen bei geringer Bedeckung. So wurde bei einem Bedeckungsgrad von ca. 40% in der Hälfte der Fälle den Satellitenbildpunkt als bewölkt klassifiziert. Diese Unsicherheiten in der Klassifikation konnten auf die abgeleitete reflektierte solare Einstrahlung übertragen werden. Für als unbewölkt erkannte, tatsächlich aber bewölkte, Bildpunkte wurde eine mittlere Überschätzung der reflektierte solare Einstrahlung von ca. 30 W/m−2 gefunden. Ebenfalls wurde der Einfluss der zeitlichen Variabilität in der solaren Einstrahlung auf die Bestimmung des Wolkenstrahlungseffektes einer Wolke untersucht. Hierfür wurde ein lineares Modell entwickelt und präsentiert, das die diffuse Einstrahlung mit dem Bedeckungsgrad in Zusammenhang stellt. Das Modell liefert zwei Koeffizienten, die die Variation der diffusen Einstrahlung durch eine Wolke unter der Annahme, dass die beobachtete Wolke den ganzen Himmel bedeckt, beschreiben. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich des Wolkenstrahlungseffektes einer beobachteten Wolke mit Modellergebnissen und die Entkopplung von der zeitlich variablen direkten Einstrahlung.

Thunderstorms, due to their high frequency of occurrence over southern Africa, and their major contribution to summer rainfall are the primary focus of very short range forecasting and nowcasting efforts in South Africa. With a limited number of surface and upper-air observations and the limited availability of numerical model output most southern African countries are heavily reliant on satellite technology. In developing tools for the first twelve forecast hours the South African Weather Service has to address both the national and regional needs. Thus, the blending of techniques in an optimal manner is essential. This study initially describes how the Global Instability Index product derived from the European Meteosat Second Generation Satellite was adapted for South African circumstances using a different numerical model to provide background information – creating the Regional Instability Indices (RII). The focus of the study is the development of a new convection indicator, called the Combined Instability Index (CII), which calculates the probability of convection from satellite derived instability indices and moisture, as well as height above sea level early in the morning when the sky is relatively cloud free. Early morning CII values were evaluated statistically against the occurrence of lightning over South Africa, where a lightning network is available, as well as against satellite derived precipitation over southern Africa, later in the same day. It is shown that the CII not only performs well, but also outperforms the individual RII when compared to the occurrence of lightning. The CII will be beneficial to operational forecasters to focus their attention on the area which is most favourable for the development of convection later in the day. / Environmental Sciences / Ph. D. (Environmental Sciences)

Thunderstorms, due to their high frequency of occurrence over southern Africa, and their major contribution to summer rainfall are the primary focus of very short range forecasting and nowcasting efforts in South Africa. With a limited number of surface and upper-air observations and the limited availability of numerical model output most southern African countries are heavily reliant on satellite technology. In developing tools for the first twelve forecast hours the South African Weather Service has to address both the national and regional needs. Thus, the blending of techniques in an optimal manner is essential. This study initially describes how the Global Instability Index product derived from the European Meteosat Second Generation Satellite was adapted for South African circumstances using a different numerical model to provide background information – creating the Regional Instability Indices (RII). The focus of the study is the development of a new convection indicator, called the Combined Instability Index (CII), which calculates the probability of convection from satellite derived instability indices and moisture, as well as height above sea level early in the morning when the sky is relatively cloud free. Early morning CII values were evaluated statistically against the occurrence of lightning over South Africa, where a lightning network is available, as well as against satellite derived precipitation over southern Africa, later in the same day. It is shown that the CII not only performs well, but also outperforms the individual RII when compared to the occurrence of lightning. The CII will be beneficial to operational forecasters to focus their attention on the area which is most favourable for the development of convection later in the day. / Environmental Sciences / Ph. D. (Environmental Sciences)