Errors in liquid water path retrieval arising from cloud inhomogeneities: The beam-filling effect

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Abstract:

In this modelling study the effects of cloud inhomogeneities on the observations of the passive microwave radiometer SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) are investigated. Brightness temperatures in the radiometer's field-of-view are calculated by using the results of a numerical cloud model as input for a 3-dimensional radiative transfer model. These brightness temperatures are compared with those obtained by the assumption of a plane parallel homogeneous cloud with the equivalent mean liquid water path (LWP). Differences between the two temperatures (the so-called 'beam-filling effect') are related to the mean LWP and to cloud inhomogeneity. It was found that not only the strength of the beam-filling effect but also its dependencies on mean LWP and its inhomogeneity are different for the different microwave frequencies. For 19 and 22 GHz the beam-filling effect increases monotonically with the mean LWP and inhomogeneity, while the beam-filling effect decreases with increased LWP at 37 and 85 GHz at large LWP. In general the beam-filling effect is more pronounced in the horizontal polarisation. Its maximum is found for 37 GHz with differences up to -60 Kelvin compared to the homogeneous case.

The effect of the lowered brightness temperatures of inhomogeneous clouds in a LWP algorithm (WENG and GRODY, 1994) is analysed. The largest effect arises from decreased 37 GHz brightness temperature. The mean underestimation of LWP is 0.0179 kg/m2 and the maximum amounts to 0.7 kg/m2.

In einer Modellstudie werden die Effekte von Wolkeninhomogenitäten auf die Helligkeitstemperaturen, die das passive Mikrowellenradiometer SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) misst, untersucht. Die Helligkeitstemperaturen im Radiometerblickwinkel werden dazu mit einem dreidimensionalen Strahlungstransportmodell für die Wolken eines numerischen Wolkenmodells berechnet. Sie werden verglichen mit Helligkeitstemperaturen plan-parallel homogener Wolken mit äquivalentem mittlerem Flüssigwasserpfad (LWP). Die Differenz dieser beiden Helligkeitstemperaturen, der sogenannte ,,Beam-Filling“ Effekt, wird untersucht bezüglich seiner Abhängigkeit vom mittleren LWP und der Wolkeninhomogenität. Dabei ergibt sich, dass nicht nur die Größe des Beam-Filling Effektes frequenzabhängig ist, sondern auch dessen Abhängigkeit von mittlerem LWP und Wolkeninhomogenität: Für 19 und 22 GHz steigt der Beam-Filling Effekt monoton mit zunehmendem LWP und Inhomogenität, wohingegen bei 37 und 85 GHz der Beam-Filling Effekt bei hohen mittleren Flüssigwassergehalten abnimmt. Insgesamt ist der Beam-Filling Effekt in der horizontalen Polarisationsebene ausgeprägter und ist maximal für 37 GHz mit einer Differenz von -60 Kelvin verglichen mit einer homogenen Wolke.

Anhand eines vielfach angewendeten Algorithmus (WENG und GRODY, 1994) werden Auswirkungen von Wolkeninhomogenität auf den abgeleiteten LWP gezeigt. Dabei spiegeln sich die erniedrigten Helligkeitstemperaturen im 37 GHz Kanal besonders deutlich wider und führen zu einer mittleren Unterschätzung des LWPs von 0,0179 kg/m2 und einer maximalen Unterschätzung von 0,7 kg/m2.

Keywords:

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2002/0011-0013

Publication date: January 1, 2002

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