Im Vergleich zum Rest der Erde erfährt die Arktis eine signifikant schnellere Klimaerwärmung, die unter dem Begriff Arktische Verstärkung bekannt ist und mit zahlreichen sich verstärkenden Prozessen und Mechanismen einhergeht. Wolken spielen aufgrund ihrer Mitwirkung in verschiedenen, gegensätzlichen Effekten eine zwiespältige und eine der unsichersten Rollen für die Veränderung des arktischen Klimasystems. Daher ist die Untersuchung arktischer Wolken und ihrer Effekte von essenzieller Bedeutung, um den arktischen Klimawandel besser zu verstehen und in Modellen repräsentieren zu können. Diese Arbeit quantifiziert den bodennahen Strahlungseffekt von Wolken (engl. cloud radiative effect, CRE) aus einer Kombination von flugzeuggetragenen Breitbandstrahlungsmessungen während tiefer Flugabschnitte unter meist bewölkten Bedingungen und Strahlungstransfersimulationen für wolkenlose Bedingungen. Die Flugzeugmessungen wurden über den gegensätzlichen offenen Ozean- und Meereisoberflächen während dreier jahreszeitlich unterschiedlicher Kampagnen in der Umgebung von Spitzbergen aufgenommen. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Oberflächen-, Wolken- und thermodynamischen Eigenschaften sowie Sonnenzenitwinkel (SZW) auf Unterschiede des solaren, thermisch-infraroten (TIR) und gesamten (solar+TIR) CRE, in Bezug auf die verschiedenen Kampagnen und Oberflächentypen. Die Unterschiede des solaren CRE werden überwiegend vom Kontrast der Oberflächenalbedo und vom jahreszeitlich variierenden SZW angetrieben. Der stärkste Abkühlungseffekt wurde im Frühsommer festgestellt und die über offenem Ozean beobachtete Abkühlung war stärker als über Meereis (-259 W m-2 vs. -65 W m-2 im Frühsommer, -108 W m-2 vs. -17 W m-2 im Frühjahr). Außerdem beeinflussen von Wolken ausgelöste Veränderungen der Oberflächenalbedo den solaren CRE je nach SZW und Oberflächentyp. Der TIR CRE zeigte aufgrund der vorherrschenden opaken Wolken und einer Kompensierung von Effekten sich ändernder Temperatur und Feuchte nur schwache Veränderungen zwischen den Kampagnen und Oberflächentypen (etwa 75 W m-2). Daher wird die Variabilität des gesamten CRE von der Schwankung des solaren CRE bestimmt. Über offenem Ozean wurde ein Abkühlungseffekt während aller Kampagnen beobachtet, über Meereis konnte der solare Abkühlungs- den TIR Erwärmungseffekt hingegen nur im Frühsommer ausgleichen. Für die gesamte Region Framstraße resultiert ein mittäglicher erwärmender, neutraler und abkühlender Effekt in Frühjahr, Frühsommer und Spätsommer aus dem Jahresgang der Meereisbedeckung. Zusätzlich zur eher qualitativen Analyse der einzelnen Einflussfaktoren auf die Unterschiede des solaren CRE wird ein Ansatz zur quantitativen Bestimmung dieser Faktoren angeregt. Diese neue Methode basiert auf einer Fallstudie mit sich verändernden Wolken- und Oberflächeneigenschaften senkrecht zur Eiskante während eines Warmlufteinschubs. Trotz signifikant mangelnder Komplexität der dem Fall zugrundeliegenden Parametrisierung werden plausible relative Beiträge von 77 % und 23 % zum Unterschied des solaren CRE zwischen offenem Ozean und Meereis für Oberflächen- respektive Wolkeneigenschaften ermittelt.:Zusammenfassung Abstract 1 General Introduction 1.1 Arctic Amplification – The Accelerated Warming of the Arctic 1.2 Clouds in the Arctic Climate System 2 Definitions and Theory 2.1 Radiative Quantities 2.2 Radiative Energy Budget 2.3 Surface, Cloud, and Atmospheric Properties 3 Motivation and Objectives 3.1 Previous Research on Cloud Radiative Effect 3.2 Aims of the Thesis 4 Observations and Methods 4.1 Aircraft Measurements 4.1.1 Broadband Radiation Measurements 4.1.2 Complementary Observations 4.2 Radiative Transfer Simulations 4.3 Calculation of Cloud Radiative Effect 4.4 Retrieval of Surface Albedo in Cloud-Free Conditions 4.4.1 Sea Ice Albedo and Retrieval of Equivalent Liquid Water Path 4.4.2 Open Ocean Albedo 4.4.3 Albedo of Inhomogeneous Surfaces 4.5 Uncertainty Estimation 4.5.1 Broadband Radiation Measurements 4.5.2 Radiative Transfer Simulations 4.5.3 Cloud Radiative Effect 4.6 Overview of Employed Data sets from all Campaigns 5 Statistical Analysis of Surface Cloud Radiative Effect 5.1 Campaign Characteristics 5.1.1 Sea Ice Distribution and Solar Zenith Angle 5.1.2 Thermodynamic Profiles 5.1.3 Cloud Properties 5.2 Impact of Cloud-Induced Albedo Modification 5.2.1 Impact on Surface Albedo 5.2.2 Impact on Solar Cloud Radiative Effect 5.3 Impact of Flight Altitude 5.4 Observed Cloud Radiative Effect 5.4.1 Solar Cloud Radiative Effect 5.4.2 Thermal-Infrared Cloud Radiative Effect 5.4.3 Total Cloud Radiative Effect 6 Sensitivity of Solar Cloud Radiative Effect to Surface and Cloud Properties 6.1 Introduction of Case 6.1.1 Synoptic Situation 6.1.2 Surface and Cloud Characteristics 6.2 Contributions to Solar Cloud Radiative Effect 6.2.1 Relative Contributions along a Continuous Time Series 6.2.2 Relative Contributions between States 7 Conclusions and Outlook 7.1 Summary and Conclusions 7.2 Outlook A Appendix A.1 Uncertainty Estimation A.1.1 Broadband Radiation Measurements A.1.2 Radiative Transfer Simulations A.1.3 Cloud Radiative Effect List of Figures List of Tables List of Symbols and Acronyms Bibliography Acknowledgements Summary of the Dissertation List of Papers and Author’s Contribution Supervision Statement / Compared to the rest of the globe, the Arctic experiences a significantly more rapid climate warming, which is called Arctic amplification and linked to numerous intensifying processes and mechanisms. Due to their contribution to and modification of various counteracting effects, clouds play one of the most ambiguous and uncertain roles in the change of the Arctic climate system. Thus, the investigation of clouds and their effects in the Arctic is essential to better understand and represent the Arctic climate change. This thesis quantifies the near-surface cloud radiative effect (CRE), which is obtained from a combination of airborne broadband radiation measurements during low-level flight sections under mostly cloudy conditions and radiative transfer simulations for cloud-free conditions. The airborne measurements were acquired over the contrasting open ocean and sea ice surfaces during three seasonally distinct campaigns in the vicinity of Svalbard. The objective of this thesis is to analyze the impact of surface, cloud, and thermodynamic properties as well as solar zenith angle (SZA) on differences of the solar, thermal-infrared (TIR), and total (solar+TIR) CRE with respect to the particular campaigns and surface types. The difference of the solar CRE is found to be predominantly driven by the contrasting surface albedo and the seasonally varying SZA. The strongest solar cooling effect was detected in early summer and the cooling observed over open ocean was stronger compared to sea ice (-259 W m-2 vs. -65 W m-2 in early summer, -108 W m-2 vs. -17 W m-2 in spring). Additionally, modifications of the surface albedo induced by the cloud-related illumination changes affect the solar CRE depending on SZA and surface type. The TIR CRE varied only weakly between campaigns and surface types (around 75 W m-2) due to the predominant opaque clouds and a compensation effect of changing temperature and humidity. Consequently, the variability of the total CRE is driven by the solar CRE variation. While a total cooling effect was present over open ocean during all campaigns, the solar cooling could compensate the TIR warming effect over sea ice only during early summer. For the entire Fram Strait region, the seasonal cycle of the sea ice distribution results in a total warming, neutral, and cooling effect during solar noon in spring, early summer, and late summer. In addition to the rather qualitative analysis of the individual contributors to the CRE differences, an attempt to quantitatively disentangle the contributions is proposed. This new method is based on a case study with varying cloud and surface properties over the sea ice edge during a warm air intrusion. Although the underlying parameterization developed for the case significantly lacks complexity, plausible relative contributions of surface and cloud properties of about 77 % and 23 % to the solar CRE difference between sea ice and open ocean are retrieved.:Zusammenfassung Abstract 1 General Introduction 1.1 Arctic Amplification – The Accelerated Warming of the Arctic 1.2 Clouds in the Arctic Climate System 2 Definitions and Theory 2.1 Radiative Quantities 2.2 Radiative Energy Budget 2.3 Surface, Cloud, and Atmospheric Properties 3 Motivation and Objectives 3.1 Previous Research on Cloud Radiative Effect 3.2 Aims of the Thesis 4 Observations and Methods 4.1 Aircraft Measurements 4.1.1 Broadband Radiation Measurements 4.1.2 Complementary Observations 4.2 Radiative Transfer Simulations 4.3 Calculation of Cloud Radiative Effect 4.4 Retrieval of Surface Albedo in Cloud-Free Conditions 4.4.1 Sea Ice Albedo and Retrieval of Equivalent Liquid Water Path 4.4.2 Open Ocean Albedo 4.4.3 Albedo of Inhomogeneous Surfaces 4.5 Uncertainty Estimation 4.5.1 Broadband Radiation Measurements 4.5.2 Radiative Transfer Simulations 4.5.3 Cloud Radiative Effect 4.6 Overview of Employed Data sets from all Campaigns 5 Statistical Analysis of Surface Cloud Radiative Effect 5.1 Campaign Characteristics 5.1.1 Sea Ice Distribution and Solar Zenith Angle 5.1.2 Thermodynamic Profiles 5.1.3 Cloud Properties 5.2 Impact of Cloud-Induced Albedo Modification 5.2.1 Impact on Surface Albedo 5.2.2 Impact on Solar Cloud Radiative Effect 5.3 Impact of Flight Altitude 5.4 Observed Cloud Radiative Effect 5.4.1 Solar Cloud Radiative Effect 5.4.2 Thermal-Infrared Cloud Radiative Effect 5.4.3 Total Cloud Radiative Effect 6 Sensitivity of Solar Cloud Radiative Effect to Surface and Cloud Properties 6.1 Introduction of Case 6.1.1 Synoptic Situation 6.1.2 Surface and Cloud Characteristics 6.2 Contributions to Solar Cloud Radiative Effect 6.2.1 Relative Contributions along a Continuous Time Series 6.2.2 Relative Contributions between States 7 Conclusions and Outlook 7.1 Summary and Conclusions 7.2 Outlook A Appendix A.1 Uncertainty Estimation A.1.1 Broadband Radiation Measurements A.1.2 Radiative Transfer Simulations A.1.3 Cloud Radiative Effect List of Figures List of Tables List of Symbols and Acronyms Bibliography Acknowledgements Summary of the Dissertation List of Papers and Author’s Contribution Supervision Statement

Parce que les processus nuageux sont des processus complexes qui opèrent à des échelles spatiales très différentes, l'évolution de l'effet radiatif des nuages (CRE) dans un climat qui se réchauffe est incertaine. Afin de mieux comprendre l'évolution du CRE, il est utile de l'exprimer en fonction de propriétés nuageuses fondamentales et observables. Dans l'infrarouge (LW), l'altitude des nuages est une des propriétés fondamentales, ainsi que leur couverture et leur opacité. Les observations collectées par le lidar spatial CALIOP durant la dernière décennie nous ont permis d'exprimer le CRE LW en fonction de cinq propriétés nuageuses. Nous montrons que le CRE LW dépend linéairement de l'altitude des nuages. Cette linéarité permet de décomposer les variations du CRE LW en contributions dues aux cinq propriétés nuageuses. On observe ainsi que la couverture des nuages opaques a piloté les variations du CRE LW durant la dernière décennie. L'analyse de simulations climatiques suivant la même approche à l'aide d'un simulateur lidar montre que les variations du CRE LW dans le climat actuel sont pilotées par l'altitude des nuages opaques, en désaccord avec les observations. Lorsqu'on étend cette analyse aux rétroactions nuageuses LW simulées dans un climat futur, on remarque que celles-ci sont également pilotées par l'altitude des nuages opaques. Ces résultats suggèrent que les observations par lidar spatial apportent une forte contrainte observationnelle sur les rétroactions nuageuses LW, qui sont l'une des principales sources d'incertitude dans les prévisions d'évolution de la température moyenne globale dues aux activités humaines. / Because cloud processes are complex processes which operate at very different spatial scales, the evolution of the cloud radiative effect (CRE) in a warming climate is uncertain. To improve our understanding of the evolution of the CRE, it is useful to express it as a function of fundamental and observable cloud properties. In the infrared (LW), the altitude of clouds is one of the fundamental properties, together with their cover and opacity. The observations collected by the space-lidar CALIOP during the last decade allowed us to express the LW CRE using five cloud properties. We show that the LW CRE depends linearly on the cloud altitude. This linearity allows to decompose the variations of the LW CRE into contributions due to the five cloud properties. We observe that the cover of the opaque clouds drove the variations of the LW CRE during the last decade. The analysis of climate simulations performing the same approach by means of a lidar simulator shows that the variations of the LW CRE in the current climate are driven by the opaque cloud altitude, in disagreement with the observations. When we extend this analysis to the LW cloud feedback simulated in a future climate, we notice that they are also driven by the opaque cloud altitude. These results suggest that the space-lidar observations bring a strong observational constraint on the LW cloud feedbacks, which are one of the main sources of uncertainty in predicting future global average temperature evolution due to human activities.

Diese Arbeit betrachtet die Wechselwirkung von solarer Einstrahlung mit Wolken in der Atmosphäre. Diese wird insbesondere repräsentiert durch den Wolkenstrahlungseffekt. Hierbei wurde vor allem auf die Auswirkungen von kleinskaliger Variabilität von Wolken und Wolkenfeldern auf die Genauigkeit des Wolkenstrahlungseffektes am Oberrand der Atmosphäre und am Boden Rücksicht genommen. Mit einer Schliessungsstudie ist der modellierte Wolkenstrahlungseffekt mit Schiffsmessungen verglichen worden. Hierbei wurden die Wolkeneigenschaften in dem Modell durch Schiffs- und Satellitendaten als Eingangsdatensatz beschrieben. Ein Zugewinn in der Genauigkeit konnte durch die kombinierte Nutzung beider Datenquellen erzielt werden, konkret durch die Kombination des Flüssigwasserpfads aus Schiffsmessungen und des effektiven Radius aus Satellitenbeobachtungen. Durch die Schliessungsstudie sind zwei Probleme in der Auflösung kleinskaliger Bewölkung und deren Auswirkung auf abgeleitete Wolkeneigenschaften identifiziert worden, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer betrachtet wurden. Ein Vergleich zweier Methoden zur Erkennung des Bedeckungsgrades, jeweils eine vom Boden und eine vom Oberrand der Atmosphäre, hat insgesamt eine gute Übereinstimmung ergeben. Jedoch zeigten sich Abweichungen bei geringer Bedeckung. So wurde bei einem Bedeckungsgrad von ca. 40% in der Hälfte der Fälle den Satellitenbildpunkt als bewölkt klassifiziert. Diese Unsicherheiten in der Klassifikation konnten auf die abgeleitete reflektierte solare Einstrahlung übertragen werden. Für als unbewölkt erkannte, tatsächlich aber bewölkte, Bildpunkte wurde eine mittlere Überschätzung der reflektierte solare Einstrahlung von ca. 30 W/m−2 gefunden. Ebenfalls wurde der Einfluss der zeitlichen Variabilität in der solaren Einstrahlung auf die Bestimmung des Wolkenstrahlungseffektes einer Wolke untersucht. Hierfür wurde ein lineares Modell entwickelt und präsentiert, das die diffuse Einstrahlung mit dem Bedeckungsgrad in Zusammenhang stellt. Das Modell liefert zwei Koeffizienten, die die Variation der diffusen Einstrahlung durch eine Wolke unter der Annahme, dass die beobachtete Wolke den ganzen Himmel bedeckt, beschreiben. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich des Wolkenstrahlungseffektes einer beobachteten Wolke mit Modellergebnissen und die Entkopplung von der zeitlich variablen direkten Einstrahlung.

Diese Arbeit betrachtet die Wechselwirkung von solarer Einstrahlung mit Wolken in der Atmosphäre. Diese wird insbesondere repräsentiert durch den Wolkenstrahlungseffekt. Hierbei wurde vor allem auf die Auswirkungen von kleinskaliger Variabilität von Wolken und Wolkenfeldern auf die Genauigkeit des Wolkenstrahlungseffektes am Oberrand der Atmosphäre und am Boden Rücksicht genommen. Mit einer Schliessungsstudie ist der modellierte Wolkenstrahlungseffekt mit Schiffsmessungen verglichen worden. Hierbei wurden die Wolkeneigenschaften in dem Modell durch Schiffs- und Satellitendaten als Eingangsdatensatz beschrieben. Ein Zugewinn in der Genauigkeit konnte durch die kombinierte Nutzung beider Datenquellen erzielt werden, konkret durch die Kombination des Flüssigwasserpfads aus Schiffsmessungen und des effektiven Radius aus Satellitenbeobachtungen. Durch die Schliessungsstudie sind zwei Probleme in der Auflösung kleinskaliger Bewölkung und deren Auswirkung auf abgeleitete Wolkeneigenschaften identifiziert worden, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer betrachtet wurden. Ein Vergleich zweier Methoden zur Erkennung des Bedeckungsgrades, jeweils eine vom Boden und eine vom Oberrand der Atmosphäre, hat insgesamt eine gute Übereinstimmung ergeben. Jedoch zeigten sich Abweichungen bei geringer Bedeckung. So wurde bei einem Bedeckungsgrad von ca. 40% in der Hälfte der Fälle den Satellitenbildpunkt als bewölkt klassifiziert. Diese Unsicherheiten in der Klassifikation konnten auf die abgeleitete reflektierte solare Einstrahlung übertragen werden. Für als unbewölkt erkannte, tatsächlich aber bewölkte, Bildpunkte wurde eine mittlere Überschätzung der reflektierte solare Einstrahlung von ca. 30 W/m−2 gefunden. Ebenfalls wurde der Einfluss der zeitlichen Variabilität in der solaren Einstrahlung auf die Bestimmung des Wolkenstrahlungseffektes einer Wolke untersucht. Hierfür wurde ein lineares Modell entwickelt und präsentiert, das die diffuse Einstrahlung mit dem Bedeckungsgrad in Zusammenhang stellt. Das Modell liefert zwei Koeffizienten, die die Variation der diffusen Einstrahlung durch eine Wolke unter der Annahme, dass die beobachtete Wolke den ganzen Himmel bedeckt, beschreiben. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich des Wolkenstrahlungseffektes einer beobachteten Wolke mit Modellergebnissen und die Entkopplung von der zeitlich variablen direkten Einstrahlung.