Life cycle of contrails from a time series of geostationary satellite images [thesis]

Margarita R. Vazquez Navarro
2009
Contrails are ice clouds that have radiative effects similar to thin cirrus clouds. In satellite images, contrails are easy to identify thanks to their linear shape. If the atmosphere presents the necessary conditions for persistent contrail formation, contrails can evolve into contrailcirrus, spreading and losing their characteristic linear shape. Thus, their identification from a satellite platform becomes more difficult. Identification of a contrail cirrus requires to follow the development
more » ... f a contrail from its linear stage. This work describes the development of a contrail-tracking algorithm (ACTA). The algorithm follows the evolution of contrails from their linear stage until they are undistinguishable from natural cirrus clouds. Therefore, the study of the effect of aircraft-induced clouds in the atmosphere is not restricted to linear contrails and can include contrail-cirrus. The ACTA algorithm takes advantage of the high spatial resolution of polar orbiting satellites and the high temporal resolution of geostationary satellites. It allows for the first time to retrieve a very accurate dataset of contrails as they evolve into contrail-cirrus. The dataset generated is then combined with algorithms developed to study the irradiance using the narrowband radiometer on board a geostationary satellite. These algorithms have been validated in this work and show good agreement with the tools specifically developed to measure the Earth's radiation budget. These tools, however, do not offer the required spatial or temporal resolution for the study of aircraft induced cloudiness. The irradiance algorithms have then been used to develop a method of retrieving the radiative forcing of the contrails and contrail-cirrus tracked. In addition to the radiative forcing, measurements of optical thickness, geographical distribution and mean lifetime have also been retrieved. Results are in good agreement with previous works on linear contrails and with case studies on contrail-cirrus. They also highlight the need for considering the effect of surrounding cloudiness when assessing the impact of contrailcirrus in the climate system. i Zusammenfassung Kondensstreifen sind Eiswolken, die einenähnlichen Effekt auf den Strahlungshaushalt der Erde haben wie dünne Zirren. Dank ihrer linearen Form sind Kondensstreifen auf Satellitenbildern einfach identifizierbar. Wenn in der Atmosphäre die nötigen Bedingungen für persistente Kondensstreifen vorherrschen, können sich die Kondensstreifen verbreitern und bei der Entwicklung in flugverkehrsinduzierte Zirren ihre ursprünglich lineare Form verlieren, was ihre Identifizierung in Satellitenbildern erschwert. Daher ist es nötig, ihren ganzen Lebenszyklus zu verfolgen, um auch bei alten, nicht linienförmigen Kondensstreifen den künstlichen Ursprung zu erkennen. In dieser Arbeit wurde ein Verfolgungsalgorithmus namens ACTA entwickelt, der Kondensstreifen von ihrem Sichtbarwerden in Satellitenbildern in Form von linienförmigen Kondensstreifen bis zur Zirrusphase verfolgt. Damit ist eine Analyse der Klimaeffekte von Kondensstreifen nicht mehr auf linienförmige Kondensstreifen begrenzt. ACTA nutzt sowohl die hohe räumliche Auflösung polarumlaufender Satelliten als auch die hohe zeitliche Auflösung geostationärer Satelliten. Er ermöglicht zum ersten Mal die Erstellung eines sehr genauen Datensatzes von Kondensstreifen während ihrer Entwicklung zu flugverkehrsinduzierten Zirren. Um den Strahlungsantrieb der verfolgten Kondensstreifen zu bestimmen, wurden zuerst Algorithmen, welche für die Ableitung von Strahlungsflussdichten aus Daten von Schmalbandradiometern an Bord eines geostationären Satelliten entwickelt wurden, auf den von ACTA erzeugten Datensatz angewandt. Diese Algorithmen wurden validiert und zeigen eine guteÜbereinstimmung mit Methoden, welcheüblicherweise für die Bestimmung des Strahlungshaushalts der Erde verwendet werden, im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht anwendbar waren, da sie nichtüber die nötige räumliche oder zeitliche Auflösung verfügen. Basierend auf den Algorithmen wurde eine Methode entwickelt, um den Strahlungsantrieb der verfolgten Kondensstreifen abzuleiten. Außerdem wurden die optische Dicke, die geographische Verteilung und die Lebensdauer der Kondensstreifen bestimmt. Die Ergebnisse sind in guterÜbereinstimmung sowohl mit früheren Arbeitenüber lineare Kondensstreifen als auch mit Fallstudien von flugverkehrsinduzierten Zirren und zeigen deutlich die Notwendigkeit, benachbarte Bewölkung zu berücksichtigen, wenn man den Einfluss flugverkehrsinduzierter Bewölkung auf das Klima quantifizieren will. ii
doi:10.5282/edoc.10913 fatcat:ge3mfyfcqjaibluwmrjphx6hdq