In this thesis upward spectral radiances are analyzed, which were sampled above subtropical trade wind cumuli near Barbados. Data were collected by a new measurement setup consisting of two payloads attached to a helicopter. This unique approach allows for collocated measurements of high–resolution microphysical cloud data, aerosol particle number size dis- tributions and the radiation reflected from cloud top, yielding a quantification of the first indirect aerosol effect of shallow water clouds. With the help of the spectral radiation data methods are introduced which help to identify cloud data that are influenced by the albedo of the water surface, as well as three–dimensional radiative effects. A statistical measure of cloud inhomogeneity is introduced, characterizing the observed trade wind cumuli to exhibit medium to high inhomogeneity with respect to upward radiances in the visible wavelength range. The influence of the substantial cloud inhomogeneity on the remote sensing of the cloud optical thickness and the effective droplet radius is quantified. It is shown, that misrep- resentation of the often observed overlying thin cirrus layers in the usual retrieval approaches yields an overestimation in retrieved effective droplet radius of up to 50% and and underestimation in retrieved cloud optical thickness of up to 6%. A new retrieval algorithm is introduced which minimizes the effects of the overlying cirrus without a priori knowledge of its properties. The results from the new algorithm are compared to in situ observations of the effective droplet radius, yielding a high agreement of ±1 μm. Relative susceptibilities of the retrieved microphysical and optical cloud parameters, as well as cloud top reflectivities, are derived to quantify the first indirect aerosol effect for subtropical trade wind cumuli. These relative susceptibilities are in the range of the maximum possible susceptibility following the theory for homogeneous clouds. Parameterizations of the cloud optical thickness and the effective droplet radius as a function of the derived relative susceptibilities and the liquid water path are introduced. The parameterized and measured parameters agreee with a correlation coefficient of 0.97, showing that the parameterization can reliably represent the measurements.

In this thesis upward spectral radiances are analyzed, which were sampled above subtropical trade wind cumuli near Barbados. Data were collected by a new measurement setup consisting of two payloads attached to a helicopter. This unique approach allows for collocated measurements of high–resolution microphysical cloud data, aerosol particle number size dis- tributions and the radiation reflected from cloud top, yielding a quantification of the first indirect aerosol effect of shallow water clouds. With the help of the spectral radiation data methods are introduced which help to identify cloud data that are influenced by the albedo of the water surface, as well as three–dimensional radiative effects. A statistical measure of cloud inhomogeneity is introduced, characterizing the observed trade wind cumuli to exhibit medium to high inhomogeneity with respect to upward radiances in the visible wavelength range. The influence of the substantial cloud inhomogeneity on the remote sensing of the cloud optical thickness and the effective droplet radius is quantified. It is shown, that misrep- resentation of the often observed overlying thin cirrus layers in the usual retrieval approaches yields an overestimation in retrieved effective droplet radius of up to 50% and and underestimation in retrieved cloud optical thickness of up to 6%. A new retrieval algorithm is introduced which minimizes the effects of the overlying cirrus without a priori knowledge of its properties. The results from the new algorithm are compared to in situ observations of the effective droplet radius, yielding a high agreement of ±1 μm. Relative susceptibilities of the retrieved microphysical and optical cloud parameters, as well as cloud top reflectivities, are derived to quantify the first indirect aerosol effect for subtropical trade wind cumuli. These relative susceptibilities are in the range of the maximum possible susceptibility following the theory for homogeneous clouds. Parameterizations of the cloud optical thickness and the effective droplet radius as a function of the derived relative susceptibilities and the liquid water path are introduced. The parameterized and measured parameters agreee with a correlation coefficient of 0.97, showing that the parameterization can reliably represent the measurements.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige Lidartechnik in ein leistungsstarkes Lidar-System implementiert. Mit Hilfe des realisierten Aufbaus wurden Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in Flüssigwasserwolken über Leipzig untersucht. Die angewandte Messmethode beruht auf der Detektion von Licht, das an Wolkentröpfchen mehrfach in Vorwärtsrichtung gestreut und an Stickstoffmolekülen inelastisch zurückgestreut wurde. Dabei werden zwei Gesichtsfelder unterschiedlicher Größe verwendet. Ein Vorwärtsiterations-Algorithmus nutzt die gewonnenen Informationen zur Ermittlung von Profilen wolkenmikrophysikalischer Eigenschaften. Es können der Extinktionskoeffizient, der effektive Tröpfchenradius, der Flüssigwassergehalt sowie die Tröpfchenanzahlkonzentration bestimmt werden. Weiterhin wird die exakte Erfassung der Wolkenunterkantenhöhe durchdie eingesetzte Messtechnik ermöglicht. Darüber hinaus ist die Bestimmung von Aerosoleigenschaften mit dem eingesetzten Lidargerät möglich. Die Qualität des realisierten Messaufbaus wurde geprüft und eine Fehleranalyse durchgeführt. Unter anderem wurde der aus einer Wolkenmessung bestimmte Flüssigwassergehalt mit einem Mikrowellen-Radiometer bestätigt. Anhand von Fallbeispielen konnte das Potential dieser Messtechnik demonstriert werden. Die Bedeutung von Profilinformationen von Wolkeneigenschaften für die Untersuchung von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen wurde gezeigt. Weiterhin wurde mit Hilfe eines Doppler-Windlidars der Einfluss der Vertikalwindgeschwindigkeit auf Wolkeneigenschaften und damit Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen verdeutlicht. Neunundzwanzig Wolkenmessungen wurden für eine statistische Auswertung bezüglich Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen genutzt. Dabei konnte erstmalig die Abhängigkeit von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen von der Wolkeneindringtiefe untersucht werden. Es wurde festgestellt, dass diese auf die untersten 70m von Wolken beschränkt sind. Weiterhin wurden deutlich stärkere Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in Wolkengebieten festgestellt, die von Aufwinden dominiert werden. Für der Quantifizierung der Stärke von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen wurden ACIN-Werte genutzt, welche den Zusammenhang zwischen der Tröpfchenanzahlkonzentration und dem Aerosol-Extinktionskoeffizienten beschreiben. Dabei wurde zwischen der Untersuchung der entsprechenden mikrophysikalischen Prozesse und deren Bedeutung für die Wolkenalbedo und damit dem Strahlungsantrieb der Wolken unterschieden. Für die erstgenannte Zielstellung wurde ein ACIN-Wert von 0.80 +/- 0.40 ermittelt, für Letztere 0.13 +/- 0.07.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige Lidartechnik in ein leistungsstarkes Lidar-System implementiert. Mit Hilfe des realisierten Aufbaus wurden Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in Flüssigwasserwolken über Leipzig untersucht. Die angewandte Messmethode beruht auf der Detektion von Licht, das an Wolkentröpfchen mehrfach in Vorwärtsrichtung gestreut und an Stickstoffmolekülen inelastisch zurückgestreut wurde. Dabei werden zwei Gesichtsfelder unterschiedlicher Größe verwendet. Ein Vorwärtsiterations-Algorithmus nutzt die gewonnenen Informationen zur Ermittlung von Profilen wolkenmikrophysikalischer Eigenschaften. Es können der Extinktionskoeffizient, der effektive Tröpfchenradius, der Flüssigwassergehalt sowie die Tröpfchenanzahlkonzentration bestimmt werden. Weiterhin wird die exakte Erfassung der Wolkenunterkantenhöhe durchdie eingesetzte Messtechnik ermöglicht. Darüber hinaus ist die Bestimmung von Aerosoleigenschaften mit dem eingesetzten Lidargerät möglich. Die Qualität des realisierten Messaufbaus wurde geprüft und eine Fehleranalyse durchgeführt. Unter anderem wurde der aus einer Wolkenmessung bestimmte Flüssigwassergehalt mit einem Mikrowellen-Radiometer bestätigt. Anhand von Fallbeispielen konnte das Potential dieser Messtechnik demonstriert werden. Die Bedeutung von Profilinformationen von Wolkeneigenschaften für die Untersuchung von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen wurde gezeigt. Weiterhin wurde mit Hilfe eines Doppler-Windlidars der Einfluss der Vertikalwindgeschwindigkeit auf Wolkeneigenschaften und damit Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen verdeutlicht. Neunundzwanzig Wolkenmessungen wurden für eine statistische Auswertung bezüglich Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen genutzt. Dabei konnte erstmalig die Abhängigkeit von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen von der Wolkeneindringtiefe untersucht werden. Es wurde festgestellt, dass diese auf die untersten 70m von Wolken beschränkt sind. Weiterhin wurden deutlich stärkere Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in Wolkengebieten festgestellt, die von Aufwinden dominiert werden. Für der Quantifizierung der Stärke von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen wurden ACIN-Werte genutzt, welche den Zusammenhang zwischen der Tröpfchenanzahlkonzentration und dem Aerosol-Extinktionskoeffizienten beschreiben. Dabei wurde zwischen der Untersuchung der entsprechenden mikrophysikalischen Prozesse und deren Bedeutung für die Wolkenalbedo und damit dem Strahlungsantrieb der Wolken unterschieden. Für die erstgenannte Zielstellung wurde ein ACIN-Wert von 0.80 +/- 0.40 ermittelt, für Letztere 0.13 +/- 0.07.