Die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften von troposphärischen Gasen, Partikeln und Wolken hängen aufgrund zahlreicher Prozesse stark voneinander ab. Insbesondere chemische Multiphasenprozesse in Wolken können die physiko-chemischen Eigenschaften der Luft und troposphärischer Partikel klein- und großräumig verändern. Diese chemische Prozessierung des troposphärischen Aerosols innerhalb von Wolken beeinflusst die chemischen Umwandlungen in der Atmosphäre, die Bildung von Wolken, deren Ausdehnung und Lebensdauer, sowie die Transmissivität von einfallender und ausgehender Strahlung durch die Atmosphäre. Damit sind wolken-chemische Prozesse relevant für das Klima auf der Erde und für verschiedene Umweltaspekte. Daher ist ein umfassendes Verständnis dieser Prozesse wichtig. Die explizite Behandlung chemischer Reaktionen in der Flüssigphase stellt allerdings eine Herausforderung für atmosphärische Computermodelle dar. Detaillierte Beschreibungen der Flüssigphasenchemie werden deshalb häufig nur für Boxmodelle verwendet. Regionale Chemie-Transport-Modelle und Klimamodelle berücksichtigen diese Prozesse meist nur mit vereinfachten chemischen Mechanismen oder Parametrisierungen. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der chemischer Mehrphasenprozesse innerhalb von Wolken auf den Verbleib relevanter Spurengase und Partikelbestandteile mit Hilfe des state‑of‑the‑art 3D-Chemie-Transport-Modells COSMO-MUSCAT zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde das Model um eine detaillierte Beschreibung chemischer Prozesse in der Flüssigphase erweitert. Zusätzlich wurde das bestehende Depositionsschema verbessert, um auch die Deposition von Nebeltropfen zu berücksichtigen. Die durchgeführten Modellerweiterungen ermöglichen eine bessere Beschreibung des troposphärischen Multiphasensystems. Das erweiterte Modellsystem wurde sowohl für künstliche 2D-Bergüberströmungsszenarien als auch für reale 3D-Simulationen angewendet. Mittels Prozess- und Sensitivitätsstudien wurde der Einfluss (i) des Detailgrades der verwendeten Mechanismen zur Beschreibung der Flüssigphasenchemie, (ii) der Größenauflösung des Tropfenspektrums und (iii) der Tropfenanzahl auf die chemischen Modellergebnisse untersucht. Die Studien belegen, dass die Auswirkungen der Wolkenchemie aufgrund ihres signifikanten Einflusses auf die Oxidationskapazität in der Gas- und Flüssigphase, die Bildung von organischer und anorganischer Partikelmasse sowie die Azidität der Wolkentropfen und Partikel in regionalen Chemie-Transport-Modellen berücksichtigt werden sollten. Im Vergleich zu einer vereinfachten Beschreibung der Wolkenchemie führt die Verwendung des detaillierten chemischen Flüssigphasenmechanismus C3.0RED zu verringerten Konzentrationen wichtiger Oxidantien in der Gasphase, einer höheren Nitratmasse in der Nacht, geringeren nächtlichen pH-Werten und einer veränderten Sulfatbildung. Darüber hinaus ermöglicht eine detaillierte Wolkenchemie erst Untersuchungen zur Bildung sekundärer organischer Partikelmasse in der Flüssigphase. Die größenaufgelöste Behandlung der Flüssigphasenchemie hatte nur geringen Einfluss auf die chemischen Modellergebnisse. Schließlich wurde das erweiterte Modell für Fallstudien zur Feldmesskampagne HCCT‑2010 genutzt. Zum ersten Mal wurde dabei ein chemischer Mechanismus mit der Komplexität von C3.0RED verwendet. Die räumlichen Effekte realer Wolken z. B. auf troposphärische Oxidantien oder die Bildung anorganischer Masse wurden untersucht. Der Vergleich der Modellergebnisse mit verfügbaren Messungen hat viele Übereinstimmungen aber auch interessante Unterschiede aufgezeigt, die weiter untersucht werden müssen. / In the troposphere, a vast number of interactions between gases, particles, and clouds affect their physico-chemical properties, which, therefore, highly depend on each other. Particularly, multiphase chemical processes within clouds can alter the physico-chemical properties of the gas and the particle phase from the local to the global scale. This cloud processing of the tropospheric aerosol may, therefore, affect chemical conversions in the atmosphere, the formation, extent, and lifetime of clouds, as well as the interaction of particles and clouds with incoming and outgoing radiation. Considering the relevance of these processes for Earth\''s climate and many environmental issues, a detailed understanding of the chemical processes within clouds is important. However, the treatment of aqueous phase chemical reactions in numerical models in a comprehensive and explicit manner is challenging. Therefore, detailed descriptions of aqueous chemistry are only available in box models, whereas regional chemistry transport and climate models usually treat cloud chemical processes by means of rather simplified chemical mechanisms or parameterizations. The present work aims at characterizing the influence of chemical cloud processing of the tropospheric aerosol on the fate of relevant gaseous and particulate aerosol constituents using the state-of-the-art 3‑D chemistry transport model (CTM) COSMO‑MUSCAT. For this purpose, the model was enhanced by a detailed description of aqueous phase chemical processes. In addition, the deposition schemes were improved in order to account for the deposition of cloud droplets of ground layer clouds and fogs. The conducted model enhancements provide a better insight in the tropospheric multiphase system. The extended model system was applied for an artificial mountain streaming scenario as well as for real 3‑D case studies. Process and sensitivity studies were conducted investigating the influence of (i) the detail of the used aqueous phase chemical representation, (ii) the size-resolution of the cloud droplets, and (iii) the total droplet number on the chemical model output. The studies indicated the requirement to consider chemical cloud effects in regional CTMs because of their key impacts on e.g., oxidation capacity in the gas and aqueous phase, formation of organic and inorganic particulate mass, and droplet acidity. In comparison to rather simplified aqueous phase chemical mechanisms focusing on sulfate formation, the use of the detailed aqueous phase chemistry mechanism C3.0RED leads to decreased gas phase oxidant concentrations, increased nighttime nitrate mass, decreased nighttime pH, and differences in sulfate mass. Moreover, the treatment of detailed aqueous phase chemistry enables the investigation of the formation of aqueous secondary organic aerosol mass. The consideration of size-resolved aqueous phase chemistry shows only slight effects on the chemical model output. Finally, the enhanced model was applied for case studies connected to the field experiment HCCT-2010. For the first time, an aqueous phase mechanism with the complexity of C3.0RED was applied in 3‑D chemistry transport simulations. Interesting spatial effects of real clouds on e.g., tropospheric oxidants and inorganic mass have been studied. The comparison of the model output with available measurements revealed many agreements and also interesting disagreements, which need further investigations.

Die Entwicklung eines Emissionsmoduls für primäres marines Aerosol (PMA; bestehend aus Meersalz und organischem Material) war Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit. Dieses wurde in das Chemie-Transportmodell „COSMO-MUSCAT“ eingebaut und löste dort das vorherige einfach gehaltene Modul (nur Meersalz) ab, welches entsprechend früherer Studien zu hohe Meersalzkonzentrationen berechnete. Das neue Emissionsmodul wurde umfangreich getestet und gegen die Messdaten von verschiedenen Stationen in Europa, einem Bernerimpaktor auf São Vicente (Kap Verden) und einem Aerosolmassenspektrometer sowie einem Digitelfilter während der Fahrt ANT-XXVII/4 des Forschungsschiffes Polarstern validiert. Bei den Untersuchungen kristallisierte sich die Emissionsparametrisierung von Long et al. (2011) als die am Besten geeignete für COSMO-MUSCAT heraus. Weiterhin wurde der Einfluss der Wassertemperatur an der Meeresoberfläche auf die PMA-Emission untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt insbesondere für größere Aerosolpartikel (2,5 µm < Dp) relevant ist. Die Nichtbeachtung der Temperaturkorrektur würde in diesem Größenbereich zu einer Überschätzung der Emissionsflüsse und folgend der Konzentration von PMA über kalten Gewässern führen. Beim erstmaligen Vergleich verschiedener Funktionen zur Beachtung des Temperatureffektes erzielte die Funktion von Sofiev et al. (2011) die besten Ergebnisse. Als weitere Neuerung wurde das mit dem PMA emittierte organische Material in das Emissionsmodul eingebaut. Auch hierfür erfolgten Vergleichsstudien verschiedener Parametrisierungen und Ansätze. Allerdings standen nur unzureichende Messungen zur Verfügung, da sie keine Aufteilung in primäres (mit PMA emittiert) und sekundäres (in Gasphase gebildet) organisches Material lieferten. Daher war eine Aussage zur Güte der Funktionen kaum möglich. Die Simulationen zeigten jedoch die Bedeutung der verschiedenen Ansätze zur Berechnung der Emissionsflüsse von organischem Material. So kann bspw. der Einfluss der Emissionsfunktion den Einfluss der Parametrisierung zur Aufteilung in Meersalz und organisches Material deutlich übersteigen. Letztlich bleibt die Frage der richtigen Eingangsdaten für die Emission von primärem organischen Material offen. Es zeigte sich, dass die Abhängigkeit der Anreicherung von organischem Material im PMA von der Chlorophyll a-Konzentration im Oberflächenwasser nicht zwingend gegeben sein muss. Daher ist es notwendig sie in der Berechnung der Emissionsflüsse durch weitere/andere Parameter zu ergänzen/ersetzen. Dies ist Gegenstand eines neuen Forschungsprojektes, bei dem das neue Emissionsmodul angewendet und weiterentwickelt wird.

Acoustic travel time tomography is presented as an experimental technique for remote monitoring of spatially averaged meteorological quantities, such as the virtual air temperature and the horizontal wind speed. This ground based remote sensing technique uses the nearly horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. Here the acoustic travel time tomography was applied by measuring the travel time at defined propagation paths between several sound sources and receivers. The resulting sound speed was used to obtain estimates of the meteorological parameters. Several measuring campaigns were carried out to compare the acoustically derived data with conventional systems. The results of a cross validation during a field experiment in autumn 2000 are presented, where receivers at different heights above the ground were used. / Die Akustische Laufzeittomographie wird als ein Verfahren zur Fernerkundung räumlich gemittelter Größen, wie der virtuellen Temperatur und der horizontalen Windgeschwindigkeit, vorgestellt. Dieses bodengebundene Fernerkundungsverfahren beruht auf der annährend horizontalen Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht. Das hier angewendete Verfahren der Laufzeittomographie beruht auf der Bestimmung der Ausbreitungszeit von Schallwellen zwischen mehreren Schallsendern und -empfängern. Die daraus abgeleitete Schallgeschwindigkeit liefert eine Information über die interessierenden meteorologischen Parameter. Eine Reihe von Feldexperimenten wurde durchgeführt mit dem Ziel, die akustisch bestimmten Größen mit denen konventioneller Verfahren zu vergleichen. Hier werden die Ergebnisse eines Vergleiches im Herbst 2000 präsentiert, bei dem die Schallempfänger in unterschiedlichen Höhen über dem Boden angebracht wurden.

A 48-layer version of the COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere – Leipzig Institute for Meteorology) three-dimensional global mechanistic model of the Earth\''s atmosphere from 0 km to 135 km with logarithmic pressure height coordinates was developed. The model is capable of reproducing the global structures and propagation of different planetary waves in the middle atmosphere. The contribution of gravity waves, tides, Rossby and Kelvin waves into the zonally averaged momentum budget of the mesosphere / lower thermosphere region has been investigated. / Eine neue Version des COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere – Leipzig Institute for Meteorology) wurde im Zusammenhang mit der Erhöhung der vertikalen Schichtauflösung entwickelt. Das COMMA ist ein dreidimensionales globales mechanistisches Modell der Erdatmosphäre mit einer Ausdehnung von ca. 0 – 135 km in logarithmischen Druckkoordinaten. Damit können globale Eigenschaften der mittleren Atmosphäre sowie die Ausbreitung verschiedener planetarer Wellen nachvollzogen werden. Die Beiträge der Schwerewellen, thermischer Gezeiten, Rossby und Kelvin Wellen zur zonal gemitteltem Impulsbalance der Mesosphäre und unteren Thermosphäre wurden untersucht.

Das erste Ziel dieser Arbeit ist eine umfassende Analyse der Wasserflüsse durchzuführen und Quellen und Senken des kontinentalen Niederschlags zu identifizieren. Als Analysemethode werden komplexe Netzwerke verwendet, ein Ansatz, mit dessen Hilfe das neuartige Konzept des “cascading moisture recycling'''' (CMR) eingeführt wird. CMR wird als vielfache Verdunstung von Niederschlag während des Feuchtigkeitstransports über bewaldeten Gebieten definiert. Dieses Verfahren ermöglicht es, den Anteil von CMR an der Menge des regionalen Niederschlags zu quantifizieren und Schlüsselregionen des CMR zu identifizieren. Die Analyse zeigt, dass der südliche Bereich des Amazonasbeckens nicht nur eine direkte Quelle für Niederschlag im La-Plata Becken ist, sondern auch als ``Brückenregion'''' dient, über die die verdunstete Feuchtigkeit des ganzen Amazonasbeckens auf dem Weg in die Subtropen transportiert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Neubewertung der Vulnerabilität des Amazonasregenwalds unter Umweltveränderungen unabdingbar ist. Dies ist das zweite Ziel der vorliegenden Arbeit. Durch diese Veränderungen könnten große Teile des Regenwaldes in eine Savanne umgewandelt werden. Dies würde wiederum den Niederschlag reduzieren, was sich negativ auf die Stabilität der verbleibenden Waldgebiete auswirken und ein Waldsterben verursachen kann. Für die Analyse dieser Zusammenhänge werden ebenfalls komplexe Netzwerke verwendet, um das Konzept der Ökosystem-Resilienz und CMR basierend auf Beobachtungsdaten zu kombinieren. Es werden die Schlüsselregionen, in denen Entwaldung zu einer Destabilisierung der verbleibenden Wald führt, identifiziert und die Möglichkeit eines großflächigen Absterben des Regenwaldes aufgrund von verlängerter Trockenzeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Diversität des Regenwaldes und die durch den Feuchtigkeitstransport gegebene Konnektivität der Waldgebiete eine wichtige Rolle für die Stabilität und ökologische Integrität dieses Ökosystems spielen. / The first aim of this thesis is to improve the understanding of vegetation-atmosphere interactions by means of complex network analysis of water fluxes from the sources to the sinks of rainfall in South America. This novel approach allows to introduce the concept of “cascading moisture recycling” defined as moisture recycling on the continent involving re-evaporation cycles along the way. A methodological framework is developed to quantify the importance of cascading moisture recycling and to identify key regions that sustain this process. It reveals, for instance, that the southern part of the Amazon basin is not only a direct source of rainfall for the La Plata basin as previously thought but also an intermediary region that re-distribute moisture evaporating from the entire Amazon basin towards the subtropics. This new concept lays the foundation for evaluating the vulnerability of the Amazon forest to environmental perturbations, which is the second aim of this thesis. Land-use and rainfall variability are expected to be intensified at the end of the twenty-first century and may push the south-eastern part of the Amazon forest towards a grass-dominated ecosystem. Such a forest loss would reduce local dry-season evapotranspiration and the resulting moisture supply for down-wind rainfall. In turn, this might erode the resilience of the remaining forest and lead to further forest losses. Using a complex network approach, the concepts of forest resilience and cascading moisture recycling are combined in a data-driven modeling framework. Key regions are identified where deforestation would greatly destabilize the remaining forest, as well as tipping points in dry-season intensification for large-scale self-amplified Amazon forest loss. The findings highlight the need to maintain the diversity and connectivity of forest patches in order to sustain the ecological integrity of the largest remaining tropical forest on Earth.

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Im Rahmen der Arbeit wurden Lidar- und Wolkenradarmessungen von troposphärischen Schichtwolken durchgeführt und ausgewertet, um den Zusammenhang zwischen Vertikalwinden und Eisbildung in diesen Wolken zu untersuchen. Der Eis- und Flüssigwassergehalt von Schichtwolken wurde mit einer Kombination aus Raman-Lidar und Wolkenradar untersucht. Die vertikalen Windbewegungen an der Wolkenunterkante wurden mit einem Doppler-Lidar aufgezeichnet. Durch die Auswertung vorangegangener Messkampagnen konnte die Vertikalwindstatistik in mittelhohen Schichtwolken zwischen den Standorten Leipzig und Praia (Kap Verde) verglichen werden. Messverfahren für die Vertikalwindmessung mit Doppler-Lidar wurden im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst wurde außerdem die Kombination von Doppler-Lidar, Wolkenradar und Wind-Profiler getestet. Die Eisbildungseffizienz in der Troposphäre wurde im Temperaturbereich zwischen 0 und -40°C für den Standort Leipzig untersucht und sowohl mit vorangegangenen Lidarmessungen, als auch mit aktuellen Satellitenmessungen verglichen. Zum ersten Mal wurde außerdem die statistische Verteilung von Vertikalwinden an der Basis von Mischphasenwolken dargestellt. Es wurde festgestellt, dass sich bei einer Temperatur von (-9 +/- 3)°C bereits in 50% der Schichtwolken über Leipzig Eis bildet. Zwischen -15 und 0°C wurden Verhältnisse zwischen Eis- und Flüssigwasserpfad zwischen 0,1 und 0,0001 abgeschätzt. Im Rahmen der Messgenauigkeit wurden zwischen den Standorten Leipzig und Praia keine Unterschiede in der Vertikalwindstatistik festgestellt.

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Zweck - Von Piloten werden u.a. die sogenannten "Manual Flying Skills" gefordert. Dabei muss der Pilot in der Lage sein (ohne Autopiloten) nach grundlegenden Instrumenten zu fliegen. Dafür sind neben Geschick auch Faustformeln erforderlich. Die Faustformeln müssen dafür verlässlich sein. Der Inhalt dieser Arbeit beschäftigt sich exemplarisch mit einer Faustformel zur Umrechnung der kalibrierten Fluggeschwindigkeit (Calibrated Airspeed, CAS) in die wahre Fluggeschwindigkeit (True Airspeed, TAS). --- Methodik - In Excel und Matlab werden die Ergebnisse aus den Berechnungen der Faustformel mit dem Ergebnis einer exakten Berechnungsweise anhand flugmechanischer Formeln verglichen. Dabei wird die Flughöhe und Fluggeschwindigkeit variiert. Es werden die Abweichungen ermittelt und in Diagrammen zwei- und dreidimensional visualisiert. --- Ergebnisse - Die zu prüfende Faustformel liefert in dem für Sie vorgesehen Anwendungsbereich hinreichend genaue Ergebnisse mit Abweichungen unter 5 %. Dabei nehmen die Abweichung zu, umso weiter die Parameter (Höhe und Geschwindigkeit) von typischen Reiseflugbedingungen entfernt sind. --- Bedeutung in der Praxis - Piloten können bedenkenlos auf die in dieser Arbeit geprüfte Faustformel zurückgreifen und kommen so mit überschaubarem Kopfrechenaufwand auf relativ genaue Ergebnisse. --- Wert - Diese Arbeit zeigt, wie mit mäßigem Zeitaufwand in Excel eine Faustformel über einen gesamten Bereich geprüft werden kann. Das Vorgehen kann auf weitere Faustformeln übertragen werden, sodass sich ein Pilot sein "Kniebrett" mit verifizierten Faustformeln füllen kann.