C3SAR - Cloud 3D Structure and Radiation
Die C3SAR-Forschergruppe kombiniert 3D-Modellierung mit Wolkenbeobachtungen, um zu untersuchen, wie Wolken die Strahlung beeinflussen. Dabei wird die dreidimensionale Natur von Wolkenstrukturen und die damit verbundenen Strahlungseffekte vollständig berücksichtigt. C3SAR ermöglicht es somit erstmals, Verzerrungen in der Klimamodellierung und Fernerkundung von Wolken zu korrigieren, die durch zu starke Vereinfachungen der komplexen geometrischen Eigenschaften von Wolken entstanden sind.
Hierzu verwendet das Team typische 3D-Wolkenformen, die aus detaillierten Wolkenmodellen sowie synergetischen Satellitenbeobachtungen gewonnen werden. Diese Strukturen werden in Strahlungstransportmodellen unterschiedlicher Komplexität eingesetzt, um die Auswirkungen vereinfachter Wolkenstrukturen zu quantifizieren und physikalisch fundierte Zusammenhänge zwischen Wolken und Strahlung abzuleiten. Langjährige, hochqualitative bodengebundene Beobachtungen von Wolken und Strahlung dienen der Validierung dieser Zusammenhänge im Rahmen von Strahlungsbilanz-Studien („radiative closure studies“). Satellitensensoren der aktuellen und kommenden Generationen liefern ergänzend die Validierung an der Obergrenze der Atmosphäre.
Im Sommer 2026 wird eine dreimonatige Feldkampagne am Observatorium Lindenberg durchgeführt. Dabei kommen Modellierung, bodengestützte Messungen, In-situ-Strahlungsmessungen und Satellitenbeobachtungen gemeinsam zum Einsatz. Diese kombinierte Studie soll unsere Fähigkeit validieren, die Strahlungseffekte von Wolken zu beobachten, zu verstehen und zu modellieren – und damit eine zentrale Unsicherheitsquelle bei der Vorhersage des zukünftigen Klimas zu verringern.
In einer angestrebten zweiten Phase wird die Forschergruppe diesen Ansatz auf weitere Testgebiete weltweit ausweiten – in Kooperation mit großen internationalen Beobachtungsnetzwerken. Ziel ist es, die regimebasierten Zusammenhänge zwischen Wolken und Strahlung weiterzuentwickeln und diese in der Klimamodellierung sowie bei neuen Generationen von Satellitensensoren anzuwenden.
Die wissenschaftliche Arbeit der C3SAR-Forschergruppe ist in fünf Teilprojekte gegliedert, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind.
Projektbeschreibung
Projekt 1 stellt hochaufgelöste, raum-zeitlich und mikrophysikalisch detaillierte Wolkenfelder aus modernster, wolkenauflösender Modellierung bereit. Diese dienen als Datenbasis, um die Variabilität wolkenrelevanter Eigenschaften für Strahlungstransport und Fernerkundung besser zu verstehen. Die Modellierung umfasst spezifische Wolkenregime und Szenarien, die in jüngsten Feldkampagnen intensiv beobachtet wurden. Durch die Modellierung rund um reale Messkampagnen können diese Beobachtungen in einen umfassenderen Kontext eingeordnet werden. Die erzeugten Wolkenfelder bilden die Grundlage für eine Vielzahl von Strahlungstransport-Sensitivitätsstudien mit unterschiedlicher Komplexität. Diese Studien untersuchen systematisch den Einfluss räumlicher und mikrophysikalischer Wolkenvariabilität auf transmittierte und reflektierte Strahlungsflüsse (für Klimaanwendungen) sowie Radianzen (für Fernerkundungsanwendungen) – und liefern so die Basis für wolkenregime-spezifische Zusammenhänge zwischen Wolken und Strahlung.
Projekt 2 erweitert und überprüft die Analysen aus Projekt 1 für verschiedene Wolkenregime durch statistische Wolkenrekonstruktionen und 3D-Strahlungstransport. Die Rekonstruktionen kombinieren vertikal aufgelöste Wolkeneigenschaften aus aktiven satellitenbasierten Sensoren mit horizontal aufgelösten Eigenschaften aus passiven Bildsensoren. Dank der großen verfügbaren Satellitendatensätze lassen sich so regimeabhängige 3D-Wolkeneigenschaften ableiten. Diese Eigenschaften dienen als Input für 3D-Strahlungstransportmodelle, die empirisch regime-spezifische Zusammenhänge zwischen Wolken und Strahlung ermöglichen. Diese Korrelationen sind sowohl für die Klimamodellierung als auch für die globale Fernerkundung nutzbar.
In Projekt 3 wird eine empirische Wolken-Strahlungs-Korrelation auf Basis langjähriger, vertikal aufgelöster Wolken- und Strahlungsmessungen am Observatorium Lindenberg des DWD entwickelt. Zusätzlich werden in-situ gemessene breitbandige und spektrale Einstrahlungswerte für Strahlungsbilanz-Studien genutzt. Durch die Langzeitbeobachtungen in Lindenberg können statistisch belastbare Korrelationen abgeleitet und mit den Ergebnissen aus der Modellierung (Projekt 1) und Satellitenfernerkundung (Projekt 2) verglichen werden. Ergänzend finden im Sommer 2026 während einer dreimonatigen Messkampagne in Lindenberg zusätzliche Messungen statt, unter anderem der spektralen Radianz mit dem multidirektionalen Spektralradiometer AMUDIS, das in Hannover entwickelt wurde.
Projekt 4 baut auf den verbesserten Wolken-Strahlungs-Korrelationen aus Projekten 1, 2 und 3 auf und nimmt eine Neubewertung der satellitengestützten Wolkenfernerkundung unter Berücksichtigung dreidimensionaler Effekte bei der Berechnung von Wolken- und Strahlungsprodukten vor. Es werden neue Proxys für Wolkeninhomogenität in verschiedenen Wolkenregimen entwickelt. Korrekturen hinsichtlich Inhomogenität werden auf satellitengestützte Wolken- und Strahlungsprodukte angewendet.
Projekt 5 basiert auf den Langzeitmessungen in Lindenberg sowie auf den Beobachtungen während der C3SAR-Feldkampagne. Dort wird die bestehende Instrumentierung des Observatoriums erweitert, unter anderem durch spektrale Radianzmessungen mit AMUDIS und ein Netzwerk aus Pyranometern. Diese bodengebundenen Messungen werden mit satellitengestützten Beobachtungen und Modellen kombiniert, um einen möglichst vollständigen, kollokalisierten Datensatz zu Wolken- und Strahlungseigenschaften zu gewinnen. So kann die in der Forschergruppe entwickelte Wolken-Strahlungs-Korrelation umfassend überprüft werden. Zusätzlich fließen in Projekt 5 auch Daten neuer Satellitensensoren an Bord von MTG und EarthCARE ein, die physikalische und strahlungsrelevante Eigenschaften von Wolken aus dem All erfassen.
TROPOS ist für die Koordination von C3SAR verantwortlich. Prof. Andreas Macke ist Sprecher der Forschergruppe, Dr. Jörg Schmidt koordiniert das Projekt wissenschaftlich bei TROPOS.
Darüber hinaus sind bei TROPOS sieben weitere Wissenschaftler*innen an C3SAR beteiligt, darunter drei Promovierende. TROPOS trägt damit maßgeblich zu den Projekten 1, 2, 4 und 5 bei.