Universiẗat, Diss., 2004--Bremen. / Enth. außerdem 2 Sonderabdr. aus: G. Wefer, S. Mulitza, V. Ratmeyer (Hrsg.): The South Atlantic in the Late Quaternary. Berlin u.a. 2003 und: International microbiolgy ; Vol. 7. 2004. Beitr. teilw. dt., teilw. engl.

University, Diss., 2003--Bremen.

Universiẗat, Diss., 2005--Düsseldorf.

In einer kürzlich erschienenen Arbeit haben Greatbatch und Zhang darauf hingewiesen, daß interdekadische Oszillationen in einem Ozean-Becken-Modell gefunden werden können, falls dieses mit festgehaltenen Wärmeflüssen angetrieben wird. Diese Oszillationen haben Ahnlichkeit mit jenen, welche Delworth et al. in einem gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modell fanden. In der vorliegenden Arbeit werden Mechanismen verglichen, die in drei einfachen Ozeanmodellen mit festgehaltenen Antrieben zu Schwingungen führen. Die Experimente mit einem drei-dimensionalen Becken-Modell werden ausführlich beschrieben. In diesen Experimenten zeigt sich der voll dreidimensionale Charakter der Schwingungen. Die Oszillationen stehen im Zusammenhang mit einer Reduktion der Ausbreitungsgeschwindigkeit von kalten Randstörungen im nordwestlichen Teil des Ozeanbeckens. Der Grund dafür ist ein anomal großes Gebiet tiefreichender Konvektion in dieser Region. Kräftige Temperaturanomalien enstehen dann infolge von anomaler Advektion. Ganz wesentlich für das Vorkommen von ungedämpften Oszillationen ist eine Verlängerung der Zeitspanne mit starker (schwacher) meridionaler Zirkulation im drei-dimensionalen Modell (\'Schleifen\'-Modell) durch einen Überkompensationsmechanismus. Letzendlich bestätigen diese Experimente die Ansicht von Winton, daß sich die Oszillationen in drei-dimensionalen Modellen nicht mit einfachen \'Schleifen\'-Modellen nachvollziehen lassen. / In a recent paper Greatbatch and Zhang reported the finding of interdecadal oscillations in an idealized ocean basin forced by constant heat flux. This oscillation has many similarities to that found by Delworth et al. in a coupled ocean-atmosphere model. We have used three simple models with fixed surface fluxes, a box model, a Welander-like loop model and a three-level three-dimensional ocean basin model, in order to compare mechanisms associated with interdecadal oscillations in these models. Our experiments with the basin model revealed the three-dimensional character of the oscillations in three-dimensional models. Self-sustained oscillations are associated with a reduction of the propagation speed of cold anomalies in the north-western corner of the model because of anomalous strong convection in that region. Then anomalous gyre circulation leads to the development of strong temperature anomalies. The extension of the period of strong (low) overturning in the three-dimensional (loop) model by some overcompensation mechanism is crucial for the occurrence of self-sustained oscillations. In conclusion we confirm Wintons view that fixed flux variability is not a meridional plane phenomenon related to loop oscillators.

In this paper spectral solar zenith radiances are analyzed which were obtained from ship–based measurements over the Atlantic ocean. In combination with high–resolution lidar and microwave remote sensing optical and microphysical cloud properties were retrieved using spectral radiation data. To overcome problems of existing transmissivity–based cloud retrievals, a new retrieval algorithm is introduced which circumvents retrieval ambiguities and reduces the influence of measurement uncertainties. The method matches radiation measurements of ratios of spectral transmissivity at six wavelengths with modeled transmissivities. The new retrieval method is fast and accurate, and thus suitable for operational purposes. It is applied to homogeneous and inhomogeneous liquid water and cirrus clouds. The results from the new algorithm are compared to observations of liquid water path obtained from a microwave radiometer, yielding an overestimation for thick liquid water clouds but a slight underestimation for thin clouds. / In dem vorliegenden Artikel werden abwärtsgerichtete spektrale Strahldichten analysiert, die mithilfe schiffsgebundener Beobachtungen über dem Atlantischen Ozean gemessen wurden. In Verbindung mit hochauflösenden Lidar und Mikrowellenradiometer Fernerkundungsverfahren werden optische und mikrophysikalische Wolkeneigenschaften aus spektralen Daten abgeleitet. Um Probleme bereits existierender Verfahren, die auf Transmissionen basieren, zu beseitigen, wird ein neuer Fernerkundungsalgorithmus vorgestellt, der nicht nur Zweideutigkeiten in der Bestimmung der Parameter umgeht, sondern auch den Einfluss von Messunsicherheiten verringert. Die Methode vergleicht gemessene spektrale Transmissionsverhältnisse bei sechs Wellenlängen mit modellierten Verhältnissen. Die neue Fernerkundungsmethode ist schnell und exakt, sodass sie für operative Zwecke geeignet ist. Sie wird für homogene und inhomogene Wasserwolken als auch für Cirren angewendet. Die Ergebnisse des neuen Ableitungsverfahrens werden mit Beobachtungen des Flüssigwasserpfades eines Mikrowellenradiometers verglichen. Daraus ergibt sich eine Überschätzung des Flüssigwasserpfades unter dicken Wolken, jedoch eine leichte Unterschätzung für dünne Wolken.

Within the scope of the OCEANET-Project (autonomous measurement platforms for energy and material exchange between ocean and atmosphere) on board of the research vessel (RV) Polarstern clouds have been investigated over the Atlantic Ocean under different atmospheric conditions and climate zones by active and passive remote sensing. An existing measurement platform, including lidar, microwave radiometer, all sky camera and broadband radiation sensors, has been extended by spectral radiation measurements with the COmpact RAdiation measurements System (CORAS). CORAS measures spectral downward radiances and irradiances in the visible to near-infrared wavelength region. The data were corrected to consider the movements of the ship and with it the misalignment of the sensor plane from earth’s horizon. Using observed and modeled spectral transmitted radiances cloud properties such as cloud optical thickness (tau ) and effective radius (reff) were retrieved. The vertical cloud structure with limitations for thick clouds is obtained from lidar and microwave radiometer measurements. The all sky camera provides information on the horizontal cloud variability. Cloud optical thickness and effective radius, will be retrieved by using a plane parallel radiative transfer model and a new spectral 3D retrieval method. / Im Rahmen des OCEANET-Projektes (autonome Messplattform zur Bestimmung des Material- und Energieaustauschs zwischen Ozean und Atmosphäre) wurden Wolken über dem Atlantischen Ozean unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen und Klimazonen an Bord des Forschungsschiffes Polarstern durch aktive und passive Fernerkundung untersucht. Die bereits existierende Messplattform (Lidar, Mikrowellenradiometer, Vollhimmels-Kamera, Standardmeteorologie und breitbandige Strahlung) wurde mit einem Spektrometersystem (CORAS) erweitert. CORAS misst spektrale abwärtsgerichtete Irradianzen und Radianzen im Wellenlängenbereich 350-2000 nm. Die Daten werden in Bezug auf die Schiffsbewegungen, sowie die horizontale Abweichung der Sensorebene lagekorrigiert. Mit beobachteten und modellierten Radianzen werden Wolkenparameter, wie die optische Dicke (tau) und der effektiveRadius (reff) abgeleitet. Die vertikale Wolkenstruktur (mit Beschränkungen für dicke Wolken) wird von Lidar- und Mikrowellenradiometer erhalten. Die Vollhimmelskamera liefert Informationen über die horizontale Wolkenverteilung. Die Wolkenparameter werden mit einem plan-parallelem Strahlungstransfermodell in Kombination mit einem neuen spektralen 3D Retrieval abgeleitet.

Due to its relevance for global climate, the realistic representation of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) in ocean models is a key task.<br> In recent years, two paradigms have evolved around what are its driving mechanisms: diapycnal mixing and Southern Ocean winds. This work aims at clarifying what sets the strength of the Atlantic overturning components in an ocean general circulation model and discusses the role of spatially inhomogeneous mixing, numerical diffusion and winds. Furthermore, the relation of the AMOC with a key quantity, the meridional pressure difference is analyzed. <br><br> Due to the application of a very low diffusive tracer advection scheme, a realistic Atlantic overturning circulation can be obtained that is purely wind driven.<br> On top of the winddriven circulation, changes of density gradients are caused by increasing the parameterized eddy diffusion in the North Atlantic and Southern Ocean. The linear relation between the maximum of the Atlantic overturning and the meridional pressure difference found in previous studies is confirmed and it is shown to be due to one significant pressure gradient between the average pressure over high latitude deep water formation regions and a relatively uniform pressure between 30°N and 30°S, which can directly be related to a zonal flow through geostrophy. Under constant Southern Ocean windstress forcing, a South Atlantic outflow in the range of 6-16 Sv is obtained for a large variety of experiments. Overall, the circulation is winddriven but its strength not uniquely determined by the Southern Ocean windstress. <br><br> The scaling of the Atlantic overturning components is linear with the background vertical diffusivity, not confirming the 2/3 power law for one-hemisphere models without wind forcing. The pycnocline depth is constant in the coarse resolution model with large vertical grid extends. It suggests the ocean model operates like the Stommel box model with a linear relation of the pressure difference and fixed vertical scale for the volume transport. However, this seems only valid for vertical diffusivities smaller 0.4 cm²/s, when the dominant upwelling within the Atlantic occurs along the boundaries. For larger vertical diffusivities, a significant amount of interior upwelling occurs. It is further shown that any localized vertical mixing in the deep to bottom ocean cannot drive an Atlantic overturning. However, enhanced boundary mixing at thermocline depths is potentially important. <br><br> The numerical diffusion is shown to have a large impact on the representation of the Atlantic overturning in the model. While the horizontal numerical diffusion tends to destabilize the Atlantic overturning the verital numerical diffusion denotes an amplifying mechanism. / Wegen ihrer Bedeutung für das globale Klima ist die realistische Darstellung des Atlantischen meridionalen overturnings in Ozeanmodellen eine zentrale Aufgabe.<br> In den letzten Jahren haben sich zwei verschiedene Hypothesen darüber entwickelt, was diese Zirkulation antreibt: diapyknische Vermischung und Winde im südlichen Ozean.<br> Die vorliegende Arbeit zielt darauf aufzuklären, welche Rolle eine räumlich inhomogene Verteilung der Vermischung, die numerische Diffusion und Winde beim Bestimmen der Stärke des Atlantischen overturnings spielen. Ausserdem wird die Beziehung des Atlantischen overturnings zu meridionalen Druckgradienten untersucht. <br><br> Durch Anwenden eines sehr gering diffusiven Tracer-Advektionsschemas kann eine realistische Zirkulation erzeugt werden, die rein von den Winden im südlichen Ozean getrieben wird. Ausgehend von der windgetriebenen Zirkulation werden Änderungen der Dichtegradienten durch Verstärkung der parametrisierten Eddy Diffusion im Nordatlantik und südlichen Ozean hervorgerufen. Dadurch wird das Bild einer vom Wind bestimmten Zirkulation in der letztendlich Druckgradienten nicht ausschlaggebend sein würden, modifiziert. Das lineare Verhältnis zwischen dem Maximum des Atlantischen overturnings und dem meridionalen Druckgradienten wird bestätigt und erklärt. Diese Linearität ist auf einen signifikanten Druckgradienten zwischen den Tiefenwasserbildungsgebieten und einem zwischen 30°N and 30°S homogenen Druck zurückzuführen. Der Volumentransport bei 30°S variiert über eine Bandbreite von 10 Sv für verschiedene Experimente unter konstantem Wind über dem südlichen Ozean. Zusammenfassend ist die Zirkulation zwar windgetrieben aber ihre Stärke nicht allein vom Wind bestimmt. <br><br> Die Skalierung des Atlantischen overturnings ist linear mit vertikaler Vermischung, was die Skalierung mit einem Exponenten von 2/3 in ein-hemisphärischen Modellen ohne Wind-Antrieb nicht bestätigt. Die Tiefe der Pyknokline bleibt mit der groben vertikalen Auflösung konstant. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Ozeanmodell sich wie das Stommel-Box Modell verhält mit einer linearen Beziehung zum meridionalen Druckgradienten und einer festen vertikalen Skala für den Volumentransport. Das scheint jedoch nur für Diffusivitäten kleiner als 0.4 cm²/s zu gelten, wenn das Aufsteigen im Atlantischen Ozean bevorzugt an den Ozeanrändern statt findet. <br><br> In Bezug auf den Antrieb des Atlantischen overturnings wird gezeigt, dass vertikale Vermischung in der Nähe des Ozeanbodens keinen Einfluss hat. Verstärkte vertikale Vermischung an den Ozeanrändern in der Tiefe der Thermokline jedoch ist potentiell wichtig. <br><br> Die numerische Diffusion hat einen grossen Einfluss auf das Atlantische overturning im Modell. Während die horizontale numerische Diffusion das overturning eher zu destabilisieren tendiert, bewirkt die vertikale numerische Diffusion einen Verstärkungsmechanismus.

Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2009

University, Diss., 2004--Bremen.

Aerosol particles acting as cloud condensation nuclei (CCN) or ice nucleating parti- cles (INP) play a major role in the formation and glaciation of clouds. Thereby they exert a strong impact on the radiation budget of the Earth. Data on abundance and properties of both particle types are sparse, especially for remote areas of the world, such as the Southern Ocean (SO). In this work, unique results from ship-borne aerosol-particle-related in situ measurements and filter sampling in the summertime SO region are presented. An overview of CCN and INP number concentrations on the Southern Ocean is provided and, using additional analyses on particle chemical composition and air-mass origin, insights regarding possible CCN and INP sources and origins are presented, with the help of a correlation analysis. CCN number concentrations spanned 2 orders of magnitude, e.g. for a supersaturation of 0.3 % values ranged roughly from 3 to 590 cm⁻³. CCN showed variable contributions of organic and inorganic material. No distinct size-dependence of the CCN hygroscopicity parameter was apparent, indicating homogeneous composition across sizes (critical dry diameter on average between 30 nm and 110 nm). The relative contribution of sea spray aerosol (SSA) to the CCN number concentration was on average small (below 35 %). Ambient INP number concentrations were measured in the temperature range from −4 to −27 °C using an immersion freezing method. Concentrations spanned up to 3 orders of magnitude, e.g. at −16 °C from 0.2 to 100 m⁻³. Elevated values (above 10 m⁻³ at −16 °C) were measured when the research vessel was in the vicinity of land (excluding Antarctica). Lower, more constant concentrations were measured on the open ocean. This, along with results of backward-trajectory analyses, hints towards terrestrial and/or coastal INP sources being dominant close to ice-free (non-Antarctic) land. In pristine marine areas INP may originate from both oceanic sources and/or long range transport. A correlation analysis yielded strong correlations between sodium mass concentration and particle number concentration in the coarse mode (larger 1 µm), unsurprisingly indicating a significant contribution of SSA to that mode. CCN number concentration was highly correlated with the number concentrations of Aitken (10 to 100 nm) and accumulation mode particles (100 to 1000 nm). This, together with a lack of correlation between sodium mass and Aitken and accumulation mode number concentrations, underlines the important contribution of non-SSA, probably secondarily formed particles, to the CCN population.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Aerosol particle activation 2.1.1 Köhler theory 2.1.2 κ-Köhler theory 2.2 Ice nucleation 2.2.1 Homogeneous Freezing 2.2.2 Heterogeneous Freezing 3 Campaign, instrumentation, and data handling 3.1 Antarctic Circum-navigation Expedition 3.2 In situ aerosol measurements 3.2.1 Aerosol number size distribution 3.2.2 Cloud condensation nuclei 3.3 Off-line aerosol characterisation 3.3.1 High-volume sampling 3.3.2 Low-volume sampling 3.3.3 Ice nucleation droplet array (INDA) 3.3.4 Analysis of chemical composition 3.4 Further resources 3.4.1 In-water organic compound measurements 3.4.2 Wind measurements 3.4.3 Air-mass origin analysis 3.4.4 Fluorescent particles 3.4.5 Correlation analysis 4 Results and Discussion 4.1 Aerosol particles and cloud condensation nuclei 4.1.1 Particle number size distributions 4.1.2 CCN number concentrations 4.1.3 CCN hygroscopicity 4.1.4 Air-mass origin for aerosol particle and CCN measurements 4.2 Ice nucleating particles 4.2.1 INP abundance 4.2.2 Air-mass origin for INP measurements 4.3 Chemical composition of sampled aerosol particles 4.4 Correlation analysis 5 Summary and Conclusions / Aerosolpartikel, die als Wolkennukleations- oder Eiskeime fungieren, spielen eine Schlüsselrolle in den Entstehungs- und Vereisungsprozessen von Wolken. Mit ihren wolkenrelevanten Eigenschaften haben diese beiden Arten von Aerosolpartikeln einen starken Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde. Messungen ihrer Häufigkeit und Eigenschaften sind selten, inbesondere in den entlegenen Regionen der Erde wie beispielsweise dem Südlichen Ozean. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse von in situ und filterbasierten Partikelmessungen einer Forschungsfahrt auf dem Südlichen Ozean in den Sommermonaten der Südhalbkugel gezeigt. Ein erstmaliger Überblick über die Anzahlkonzentrationen der Wolkennukleations- und Eiskeime über dem Südlichen Ozean wird gegeben. Unter Berücksichtigung weiterer Messergebnisse zur chemischen Zusammensetzung der Partikel und Betrachtungen zur Herkunft der Luftmassen werden Rückschlüsse auf die Herkunft und Quellen der gesammelten, wolkenrelevanten Aerosolpartikel gezogen, auch mit Hilfe einer Korrelationsanalyse. Die Anzahlkonzentration der Wolkennukleationskeime schwankte innerhalb von zwei Größenordnungen, beispielsweise zwischen 3 und 590 cm⁻³ bei 0.3 % Übersättigung. Die chemische Zusammensetzung der Wolkennukleationskeime variierte dabei stark, zwischen organischem und inorganischem Material. Der Hygroskopizitätsparameter zeigte keine Größenabhängigkeit, was für eine intern gemischte Population von Wolkennukleationskeimen spricht (kritische Partikeldurchmesser lagen im Mittel zwischen 30 und 110 nm). Der prozentuale Anteil von Seesalzpartikeln zur Anzahlkonzentration der Wolkennukleationskeime war im Mittel gering (kleiner 35 %). Die Anzahlkonzentration der Eiskeime wurden im Temperaturbereich −4 bis −27 °C mittels einer filterbasierten Immersionsgefriermethode bestimmt. Die Anzahlkonzentrationen schwankten dabei im Bereich von bis zu drei Größenordnungen, beispielsweise zwischen 0.2 und 100 m⁻³ bei einer Temperatur von −16 °C. In Küstennähe, mit Ausnahme von Antarktika, wurden erhöhte Anzahlkonzen- trationen (über 10 m⁻³ bei −16 °C) gemessen. Niedrigere, weniger variable Anzahlkonzentrationen wurden hingegen auf offener See gemessen. Diese Beobachtungen, zusammen mit den Ergebnissen zur Luftmassenherkunft, sprechen für eine Dominanz von terrestrischen und/oder küstennahen Quellen der Eiskeime in der Nähe von eisfreiem (nicht-Antarktischem) Festland. Dabei können in den unbe- rührten, marinen Regionen die Eiskeime aus dem Meer selbst und/oder Ferntransport stammen. Eine Korrelationsanalyse zeigte einen starken Zusammenhang zwischen der Massenkonzentration von Natrium und der Anzahlkonzentration an groben Aerosolpartikeln (größer 1 µm). Daraus folgt ein signifikanter Anteil an Seesalzpartikeln in dieser Partikelgröße. Die Anzahlkonzentration der Wolkennukleationskeime korrelierte stark mit den Anzahlkonzentrationen der Aitken- (10 bis 100 nm) bzw. Akkumulationskerne (100 bis 1000 nm). Diese Beobachtung, zusammen mit dem Fehlen einer Korrelation zwischen Natriummasse und Aitken- oder Akkumulationskernanzahl, unterstreicht die Relevanz von Partikeln die nicht Seesalz sind (vermutlich sekundär geformten Aerosolpartikel) für die Population der Wolkennukleationskeime.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Aerosol particle activation 2.1.1 Köhler theory 2.1.2 κ-Köhler theory 2.2 Ice nucleation 2.2.1 Homogeneous Freezing 2.2.2 Heterogeneous Freezing 3 Campaign, instrumentation, and data handling 3.1 Antarctic Circum-navigation Expedition 3.2 In situ aerosol measurements 3.2.1 Aerosol number size distribution 3.2.2 Cloud condensation nuclei 3.3 Off-line aerosol characterisation 3.3.1 High-volume sampling 3.3.2 Low-volume sampling 3.3.3 Ice nucleation droplet array (INDA) 3.3.4 Analysis of chemical composition 3.4 Further resources 3.4.1 In-water organic compound measurements 3.4.2 Wind measurements 3.4.3 Air-mass origin analysis 3.4.4 Fluorescent particles 3.4.5 Correlation analysis 4 Results and Discussion 4.1 Aerosol particles and cloud condensation nuclei 4.1.1 Particle number size distributions 4.1.2 CCN number concentrations 4.1.3 CCN hygroscopicity 4.1.4 Air-mass origin for aerosol particle and CCN measurements 4.2 Ice nucleating particles 4.2.1 INP abundance 4.2.2 Air-mass origin for INP measurements 4.3 Chemical composition of sampled aerosol particles 4.4 Correlation analysis 5 Summary and Conclusions