3-D Cloud Morphology and Evolution Derived from Hemispheric Stereo Cameras

Abstract

Clouds play a key role in the Earth-atmosphere system as they reflect incoming solar radiation back to space, while absorbing and emitting longwave radiation. A significant challenge for observation and modeling pose cumulus clouds due to their relatively small size that can reach several hundreds up to a few thousand meters, their often complex 3-D shapes and highly dynamic life-cycle. Common instruments employed to study clouds include cloud radars, lidar-ceilometers, (microwave-)radiometers, but also satellite and airborne observations (in-situ and remote), all of which lack either sufficient sensitivity or a spatial or temporal resolution for a comprehensive observation. This thesis investigates the feasibility of a ground-based network of hemispheric stereo cameras to retrieve detailed 3-D cloud geometries, which are needed for validation of simulated cloud fields and parametrization in numerical models. Such camera systems, which offer a hemispheric field of view and a temporal resolution in the range of seconds and less, have the potential to fill the remaining gap of cloud observations to a considerable degree and allow to derive critical information about size, morphology, spatial distribution and life-cycle of individual clouds and the local cloud field.<br /> The technical basis for the 3-D cloud morphology retrieval is the stereo reconstruction: a cloud is synchronously recorded by a pair of cameras, which are separated by a few hundred meters, so that mutually visible areas of the cloud can be reconstructed via triangulation. Location and orientation of each camera system was obtained from a satellite-navigation system, detected stars in night sky images and mutually visible cloud features in the images. The image point correspondences required for 3-D triangulation were provided primarily by a dense stereo matching algorithm that allows to reconstruct an object with high degree of spatial completeness, which can improve subsequent analysis.<br /> The experimental setup in the vicinity of the Jülich Observatory for Cloud Evolution (JOYCE) included a pair of hemispheric sky cameras; it was later extended by another pair to reconstruct clouds from different view perspectives and both were separated by several kilometers. A comparison of the cloud base height (CBH) at zenith obtained from the stereo cameras and a lidar-ceilometer showed a typical bias of mostly below 2% of the lidar-derived CBH, but also a few occasions between 3-5%. Typical standard deviations of the<br /> differences ranged between 50 m (1.5 % of CBH) for altocumulus clouds and between 7% (123 m) and 10% (165 m) for cumulus and strato-cumulus clouds. A comparison of the estimated 3-D cumulus boundary at near-zenith to the sensed 2-D reflectivity profiles from a 35-GHz cloud radar revealed typical differences between 35 - 81 m. For clouds at larger distances (> 2 km) both signals can deviate significantly, which can in part be explained by a lower reconstruction accuracy for the low-contrast areas of a cloud base, but also<br /> with the insufficient sensitivity of the cloud radar if the cloud condensate is dominated by very small droplets or diluted with environmental air.<br /> For sequences of stereo images, the 3-D cloud reconstructions from the stereo analysis can be combined with the motion and tracking information from an optical flow routine in order to derive 3-D motion and deformation vectors of clouds. This allowed to estimate atmospheric motion in case of cloud layers with an accuracy of 1 ms^-1 in velocity and 7° to 10° in direction. The fine-grained motion data was also used to detect and quantify cloud motion patterns of individual cumuli, such as deformations under vertical wind-shear. <br /> The potential of the proposed method lies in an extended analysis of life-cycle and morphology of cumulus clouds. This is illustrated in two show cases where developing cumulus clouds were reconstructed from two different view perspectives. In the first case study, a moving cloud was tracked and analyzed, while being subject to vertical wind shear. The highly tilted cloud body was captured and its vertical profile was quantified to obtain measures like vertically resolved diameter or tilting angle. The second case study shows a<br /> life-cycle analysis of a developing cumulus, including a time-series of relevant geometric aspects, such as perimeter, vertically projected area, diameter, thickness and further derived statistics like cloud aspect ratio or perimeter scaling. The analysis confirms some aspects of cloud evolution, such as the pulse-like formation of cumulus and indicates that cloud aspect ratio (size vs height) can be described by a power-law functional relationship for an individual life-cycle.

Wolken haben einen maßgeblichen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde, da sie solare Strahlung effektiv reflektieren, aber von der Erde emittierte langwellige Strahlung sowohl absorbieren als auch ihrerseits wieder emittieren. Darüber hinaus stellen Cumulus-Wolken wegen ihrer verhältnismäßig kleinen Ausdehnung von wenigen hundert bis einigen tausend Metern sowie ihres dynamischen Lebenszyklus nach wie vor eine große Herausforderung für Beobachtung und Modellierung dar. Gegenwärtig für deren Erforschung im Einsatz befindliche Instrumente wie Lidar-Ceilometer, Wolkenradar, Mikrowellenradiometer oder auch satellitengestützte Beobachtungen stellen die für eine umfassende Erforschung dieser Wolken erforderliche räumliche und zeitliche Abdeckung nicht zur Verfügung.<br /> In dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit eine bodengebundene Beobachtung von Wolken mit hemisphärisch projizierenden Wolkenkameras geeignet ist detaillierte 3-D Wolkengeometrien zu rekonstruieren um daraus Informationen über Größe, Morphologie und Lebenszyklus einzelner Wolken und des lokalen Wolkenfeldes abzuleiten.<br /> Grundlage für die Erfassung der 3-D Wolkengeometrien in dieser Arbeit ist die 3-D Stereorekonstruktion, bei der eine Wolke von jeweils zwei im Abstand von mehreren Hundert Metern aufgestellten, synchron aufnehmenden Kameras abgebildet wird. Beidseitig sichtbare Teile einer Wolke können so mittels Triangulation rekonstruiert werden. Fischaugen-Objektive ermöglichen das hemisphärische Sichtfeld der Wolkenkameras. Während die Positionsbestimmung der Kameras mit Hilfe eines Satelliten-Navigationssystems durchgeführt wurde, konnte die absolute Orientierung der Kameras im Raum mit Hilfe von detektierten Sternen bestimmt werden, die als Referenzpunkte dienten. Die für eine Stereoanalyse wichtige relative Orientierung zweier Kameras wurde anschließend unter Zuhilfenahme von Punktkorrespondenzen zwischen den Stereobildern verfeinert. Für die Stereoanalyse wurde primär ein Bildanalyse-Algorithmus eingesetzt, welcher sich durch eine hohe geometrische Vollständigkeit auszeichnet und auch 3-D Informationen für Bildregionen mit geringem Kontrast liefert. In ausgewählten Fällen wurden die so rekonstruierten Wolkengeometrien zudem mit einem präzisen Mehrbild-Stereo-Verfahren verglichen. Eine möglichst vollständige 3-D Wolkengeometrie ist vorteilhaft für eine darauffolgende Analyse, die eine Segmentierung und Identifizierung einzelner Wolken, deren raum-zeitliche Verfolgung oder die Ableitung geometrischer Größen umfasst.<br /> Der experimentelle Aufbau im Umfeld des Jülich Observatory for Cloud Evolution (JOYCE) umfasste zuerst eine, später zwei Stereokameras, die jeweils mehrere Kilometer entfernt installiert wurden um unterschiedliche Wolkenpartien rekonstruieren zu können.<br /> Ein Vergleich zwischen Stereorekonstruktion und Lidar-Ceilometer zeigte typische Standardabweichungen der Wolkenbasishöhendifferenz von 50 m (1.5 %) bei mittelhoher Altocumulus-Bewölkung und 123 m (7 %) bis 165 m (10 %) bei heterogener Cumulus- und Stratocumulus-Bewölkung. Gleichzeitig wich die rekonstruierte Wolkenbasishöhe im Durchschnitt meist nicht weiter als 2 %, in Einzelfällen 3-5 % vom entsprechenden Wert des Lidars ab.<br /> Im Vergleich zur abgeleiteten Cumulus-Morphologie aus den 2-D Reflektivitätsprofilen des Wolkenradars, zeigten sich im Zenit-Bereich typische Differenzen zwischen 35 und 81 m. Bei weiter entfernten Wolken (> 2 km) können sich Stereorekonstruktion und Reflektivitätssignal stark unterscheiden, was neben einer abnehmenden geometrischen Genauigkeit der Stereorekonstruktion in kontrastarmen Bereichen insbesondere mit einer oftmals unzureichenden Sensitivität des Radars bei kleinen Wolkentröpfchen erklärt werden kann, wie man sie an der Wolkenbasis und in den Randbereichen von Wolken findet.<br /> Die Kombination von Stereoanalyse und der Bewegungsinformation innerhalb einer Bildsequenz erlaubt die Bestimmung von Wolkenzug- und -deformationsvektoren. Neben der Verfolgung einzelner Wolkenstrukturen und der Erfassung von Wolkendynamik (beispielsweise der Deformation von Wolken durch Windscherung), kann im Fall von stratiformen Wolken Windgeschwindigkeit und -richtung abgeschätzt werden. Ein Vergleich mit Beobachtungen eines Wind-Lidars zeigte hierfür typische Abweichungen der Windgeschwindigkeit von 1 ms^-1 und der Windrichtung von 7° to 10°.<br /> Ein besonderer Mehrwert der Methode liegt in einer tiefergehenden Analyse von Morphologie und Lebenszyklus von Cumulus-Wolken. Dies wurde anhand zweier exemplarischer Fallstudien gezeigt, in denen die 3-D-Rekonstruktionen zweier entfernt aufgestellter Stereokameras kombiniert wurden. Im ersten Fall wurde ein sich unter vertikaler Windscherung entwickelnder Cumulus von zwei Seiten aufgenommen, was eine geometrische Erfassung des stark durch Scherung geneigten Wolkenkörpers ermöglichte. Kennwerte wie Vertikalprofil, Neigungswinkel der Wolke und Durchmesser einzelner Höhenschichten wurden abgeschätzt. Der zweite Fall zeigte eine statistische Analyse eines sich entwickelnden Cumulus über seinen Lebenszyklus hinweg. Dies erlaubte die Erstellung einer Zeitreihe mit relevanten Kennzahlen wie äquivalenter Durchmesser, vertikale Ausdehnung, Perimeter oder abgeleitete Größen wie Aspektrate oder Perimeter-Skalierung. Während die Analyse bisherige Ergebnisse aus Simulationen und satellitengestützten Beobachtungen bestätigt, erlaubt diese aber eine Erweiterung auf die Ebene individueller Wolken und der Ableitung funktionaler Zusammenhänge wie zum Beispiel dem Verhältnis von Wolkendurchmesser und vertikaler Dimension.