Estimation of the total cloud cover with high temporal resolution and parametrization of short-term fluctuations of sea surface insolation

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Abstract:

Sky observations by means of digital full sky imagers enable a continuous monitoring and archiving of the state of the atmosphere. A direct application is the estimation of the total amount of clouds with a very high temporal resolution. From simple methods of image analysis, we used the full sky imager additionally as a sunshine recorder to replace complex pyrheliometric and pyranometric measurements for detecting direct solar irradiation. The Meridional Ocean Radiation Experiment MORE has realized four transatlantic research cruises with a special focus on the surface radiation budget, remote sensing of clouds and automated sky monitoring. This dataset was used to study different parametrizations of solar downward radiation at the sea surface based on standard meteorological measurements. It was found that the parameterization by Zillman (1972) provided the best performance for the use with operational meteorological data. Furthermore, this parametrization was modified to create a fast responding parametrization to reproduce short-term fluctuations of the insolation. This new parametrization has been applied to independent datasets. It is shown that based on measurements of a few weeks it was not possible to reduce the overall bias of parameterized insolation significantly due to the fact that the parametrization does not consider the optical thickness of clouds. The standard deviation between calculated and measured flux has been reduced by 4%. The performance for separated broken cloud conditions was improved significantly.

German
Die Beobachtung des Himmels mit Hilfe von Wolkenkameras ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung und Archivierung des Zustandes der Atmosphäre. Eine direkte Anwendungsmöglichkeit besteht in der Bestimmung des Wolkenbedeckungsgrades mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung. Durch einfache Bildverarbeitungsmethoden verwenden wir die Wolkenkamera darüber hinaus als Sonnenscheinautograph und vermeiden somit komplexe pyrheliometrische und pyranometrische Messungen zur Bestimmung direkter solarer Einstrahlung. Im Rahmen des Meridional Ocean Radiation Experiment MORE wurden vier transatlantische Forschungsfahrten durchgeführt, deren Schwerpunkt auf Strahlungsbilanzierungen am Boden, Wolkenfernerkundung und automatischer Himmelsbeobachtung lag. Dieser Datensatz wurde zur Untersuchung verschiedener Parametrisierungen der kurzwelligen Einstrahlung an der Meeresoberfläche benutzt, die auf meteorologischen Standardmessungen basieren. Es wurde festgestellt, dass die Parametrisierung nach Zillman (1972) für die Verarbeitung operationeller meteorologischer Daten am besten geeignet ist. Desweiteren wurde diese Parametrisierung modifiziert, um eine auf kurzzeitige Fluktuationen schnell reagierende Parametrisierung der solaren Einstrahlung zu erhalten. Diese neue Parametrisierung wurde anhand unabhängiger Datensätze überprüft und es wurde gezeigt, dass es mit Datensätzen von einigen Wochen nicht möglich war den systematischen Fehler zu reduzieren, da die Parametrisierung keine optische Dicke von Wolken berücksichtigt. Die Standardabweichung zwischen berechneter und gemessener Einstrahlung wurde um 4% reduziert. Das Ergebnis für separate durchbrochene Bewölkung wurde signifikant verbessert.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2008/0321

Publication date: October 1, 2008

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