Trendy zmian cech chmur nad Polską oraz ich wykorzystanie w dokładności szacowania albedo na górnej granicy atmosfery (2003-2021)

Chmury odgrywają zasadniczą rolę w systemie klimatycznym Ziemi, uczestnicząc w procesach hydrometeorologicznych jak i kształtując bilans energetyczny planety. Zależnie od ich własności fizycznych, chmury w różnym zakresie modyfikują transfer promieniowania w atmosferze w wyniku procesów absorpcji, odbicia oraz przepuszczania fal elektromagnetycznych. Od lat 70. XX wieku nad obszarem Polski stwierdzono wzrost częstości chmur konwekcyjnych oraz chmur piętra wysokiego, przy jednoczesnym zmniejszeniu frekwencji chmur warstwowych piętra niskiego i średniego. W badaniach tych wykorzystano wyniki naziemnych obserwacji zachmurzenia, których specyfika (geometria obserwacji z dołu) ogranicza w pewnym stopniu detekcję chmur wysokich i utrudnia jednoznaczne wnioskowanie o trendach ich zmian. Głównym celem niniejszej rozprawy było określenie trendów zmian niektórych cech chmur nad Polską w latach 2003–2021 oraz ich znaczenia w dokładności szacowania albedo na górnej granicy atmosfery. W badaniach wykorzystano dane dotyczące zachmurzenia z instrumentu satelitarnego Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) oraz z 27 naziemnych stacji synoptycznych IMGW-PIB (SYNOP), a także dotyczące strumieni promieniowania z instrumentu Clouds And The Earth’s Radiant Energy System (CERES). Pojęciem „cechy chmur” nazywano zarówno niektóre własności chmur jak i/lub rodzaje chmur. W celu określenia rodzajów chmur na podstawie danych MODIS zastosowano klasyfikację International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP). Szacunki albedo na górnej granicy atmosfery (αTOA) przeprowadzono na podstawie znanego z literatury związku między αTOA i własnościami chmur ciekłych: wielkością zachmurzenia chmurami w stanie ciekłym (CFliq), zawartością wody ciekłej w chmurze (LWP) oraz koncentracją liczby cząstek w chmurze (Nd). Określono przebieg roczny wartości średniej i współczynnika kierunkowego trendu liniowego zmiany częstości rodzajów chmur oraz zachmurzenia cząstkowego. Dane satelitarne częściej niż obserwacje naziemne wskazywały na obecność chmur wysokich i grubych optycznie. Potwierdzono, że w latach 2003–2021 nad Polską wystąpił wzrost częstości i zachmurzenia cząstkowego chmur piętra wysokiego. Analiza danych synoptycznych udokumentowała znaczący ujemny trend częstości chmur konwekcyjnych po roku 2008, którego nie stwierdzono na podstawie danych MODIS. Oceniono zmienność czasową i zróżnicowanie przestrzenne następujących własności chmur: ciśnienia na wierzchołkach chmur (CTP), grubości optycznej chmur (COT), efektywnego promienia cząstek w chmurze (CER) oraz zawartości wody w chmurze (CWP). Stwierdzono istotne statystycznie zmniejszenie CTP w godzinach porannych. Trend ten wystąpił głównie w północnej i północno-zachodniej Polsce. Najsilniejsza ujemna tendencja zmian CTP dotyczyła chmur wysokich; stwierdzono ją na około 25–35% powierzchni kraju. W latach 2003–2021 wyraźnie zmalało COT chmur grubych optycznie. Ponadto, na powierzchni stanowiącej około 15% obszaru Polski stwierdzono zmniejszenie COT chmur piętra niskiego i średniego. Poprzez utworzenie prostej funkcji trójwymiarowej wykorzystującej albedo na górnej granicy atmosfery z instrumentu CERES oraz średnie wartości CFliq, LWP i Nd, dokonano analizy dokładności estymacji αTOA. Szacunki przeprowadzono w pierwszej kolejności w odniesieniu do obszaru oceanu. Rozważono kilka wariantów modyfikacji podstawowej funkcji, które mogłyby poprawić ilość trafnych rekonstrukcji αTOA. Wybrane warianty przetestowano następnie w odniesieniu do obszarów lądowych, po czym sprawdzono dokładność estymacji αTOA w przypadku wykorzystania innych własności chmur: wielkości zachmurzenia (CF), CTP oraz COT. Niniejsza rozprawa stanowi pierwszą w Polsce kompleksową (oraz niemal dwudziestoletnią) analizę rodzajów i własności chmur, sporządzoną na podstawie obserwacji satelitarnych. Dzięki ich wykorzystaniu możliwe było udokumentowanie dodatnich trendów zmian częstości chmur piętra wysokiego, które zostały wcześniej stwierdzone w pracach innych badaczy wykorzystujących materiał źródłowy ze stacji naziemnych. Udowodniono ponadto, że średnie wartości wybranych własności chmur w danej lokalizacji umożliwiają rekonstrukcję albedo na górnej granicy atmosfery z dokładnością do 0,02 w około 80–95% przypadków, zależnie od doboru własności chmur. Związki między albedo i własnościami chmur nie są jednak uniwersalne przestrzennie i w przypadku obliczania średnich własności chmur w ujęciu globalnym dokładność estymacji albedo znacznie maleje.

Clouds play a fundamental role in Earth’s climate system, participating in hydrometeorological processes and shaping the planet’s energy balance. Depending on their physical properties, clouds modify radiative transfer in the atmosphere to varying degrees through absorption, reflection, and transmission of electromagnetic waves. Since the 1970s, an increase in the frequency of convective and high clouds has been observed over Poland, while the frequency of low and middle stratiform clouds has decreased. In those studies, surface-based cloud observations were used, and their perspective (viewing from below) limits high-cloud detection to some extent and makes drawing straightforward conclusions about their trends difficult. The main goal of this dissertation was to determine trends in certain cloud properties over Poland during the 2003–2021 period and to assess their role in the accuracy of top-of-atmosphere all-sky albedo estimates. The data considered in this study include cloud characteristics from the satellite Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) instrument and from 27 synoptic surface IMGW-PIB stations (SYNOP), as well as radiative fluxes from the Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) instrument. By “cloud characteristics,” both certain properties and/or cloud types (genera) were described. To determine cloud types from MODIS, the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) classification was used. Top-of-atmosphere all-sky albedo (αTOA) estimates were made based on the relationship described in the literature between αTOA and cloud properties: liquid cloud fraction (CFliq), liquid water path (LWP), and cloud droplet number concentration (Nd). The annual cycle of the mean value and trends in cloud type frequency and cloud type fraction was described. Satellite data indicated high clouds and optically thick clouds more often than surface data. It was shown that, over the 2003–2021 period in Poland, there was an increase in high cloud frequency and fraction. Synoptic data documented a statistically significant negative trend in convective clouds after 2008, which was not seen in the MODIS data. The temporal and spatial variability of the following cloud properties was described: cloud-top pressure (CTP), cloud optical thickness (COT), cloud effective radius (CER), and cloud water path (CWP). A statistically significant negative trend in CTP in morning passes was noted, mainly affecting northern and north-western Poland. The strongest negative trend was found for high clouds, which affected approximately 25–35% of the country’s territory. During the 2003–2021 period, the COT of optically thick clouds visibly declined. Moreover, the COT of low and middle clouds also decreased. By building a simplified three-dimensional function using top-of-atmosphere all-sky albedo from the CERES instrument and mean values of CFliq, LWP, and Nd, an analysis of αTOA estimation was carried out. Estimates were first made with regard to ocean areas. Several modifications of the basic function were considered, which could help improve the accuracy of αTOA reconstruction. Some of these modifications were then tested for land, and the accuracy of αTOA estimates was evaluated when other cloud properties were considered: cloud fraction (CF), CTP, and COT. This dissertation is the first comprehensive (and nearly 20-year-long) study on cloud types and properties from satellite observations in Poland. Satellite data showed a positive trend in high-cloud frequency, which had previously been documented by other researchers based on surface observations. It was demonstrated that mean values of selected cloud properties at a given location allow the reconstruction of top-of-atmosphere all-sky albedo with an accuracy of 0.02 in 80–95% of cases, depending on the cloud properties used. However, the relationships between albedo and cloud properties are not universal, and when mean cloud properties are calculated globally, the accuracy of estimates decreases.