Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2002.

Variability and change of the Earth\''s climate are of fundamental importance to humankind. In particular anthropogenic climate change has been considered widely as one of the most urgent concerns for the society (United Nations, 1992, 2002). It is therefore vital to improve the understanding of the Earth\''s climate system and its variability.

Based on airborne spectral imaging observations, three-dimensional (3-D) radiative effects between Arctic boundary layer clouds and highly variable Arctic surfaces have been identified and quantified. A method is presented to discriminate sea ice and open water in cloudy conditions based on airborne upward radiance measurements in the visible spectral range. This separation simultaneously reveals that the transition of radiance between open water and sea ice is not instantaneous in cloudy conditions but horizontally smoothed. In general, clouds reduce the nadir radiance above bright surfaces in the vicinity of open water, while the nadir radiance above open sea is enhanced compared to situations with clouds located above sea ice surfaces. With the help of the observations and 3-D radiative transfer simulations, this effect was quantified. This affected distance deltaL was found to depend on both cloud and sea ice properties. For a low level cloud at 0-200 m altitude, as observed during the Arctic field campaign Vertical Distribution of Ice in Arctic Clouds (VERDI) in 2012, an increase of the cloud optical thickness from tau = 1 to tau = 10 leads to a decrease of deltaL from 600 to 250 m. An increase in cloud base altitude or cloud geometrical thickness results in an increase of deltaL. Furthermore, the impact of these 3-D-radiative effects on a retrieval of cloud optical properties was investigated. The enhanced brightness of a dark pixel next to an ice edge results in uncertainties of up to 90 % in retrievals of tau and up to 30 % in retrievals of the effective radius reff. With the help of detlaL quantified here, an estimate of the distance to the ice edge is given where the retrieval uncertainties due to 3D-effects are negligible. / Mit Hilfe flugzeuggetragener abbildender spektraler Beobachtungen wurden 3-D Strahlungseffekte zwischen arktischen Grenzschichtwolken sowie der hochvariablen arktischen Bodenoberfläche identifiziert und quantifiziert. Eine Methode zur Differenzierung von Meereis und offener Wasserflächen, auf Grundlage flugzeuggetragener Messungen der aufwärtsgerichteten Strahldichte im sichtbaren Spektralbereich, während bewölkter Bedingungen wird vorgestellt. Diese Differenzierung zeigt gleichzeitig auf, dass die Strahldichtereduzierung beim Übergang vom Meereis zu den offenen Wasserflächen nicht unmittelbar erfolgt, sondern horizontal geglättet ist. Allgemein verringern Wolken in der Umgebung von Eiskanten die Nadir-Strahldichte über den hellen Eisflächen und erhöhen sie über dunklen Meeresoberflächen. Mit Hilfe von 3-D Strahlungstransferrechnungen wurde dieser Effekt quantifiziert. Die Reichweite dieses Effektes wird sowohl von den Wolken- als auch den Oberflächeneigenschaften beeinflusst. Für eine flache Wolke zwischen 0 und 200 m, so wie sie während der arktischen Feldkampagne Vertical Distribution of Ice in Arctic Clouds (VERDI), 2012 beobachtet werden konnte, führt eine Erhöhung der wolkenoptischen Dicke von tau = 1 zu tau = 10 zu einer Verringerung in deltaL von 600 zu 250 m. Zudem führt eine Erhöhung der Wolkenhöhe und ihrer geometrischen Dicke zu einer Zunahme von deltaL. Anschließend wurde der Einfluss dieser 3-D Strahlungseffekte auf die Ableitungsergebnisse von tau untersucht. Die Aufhellung eines dunkleren Pixels neben der Eiskante führt zu Unsicherheiten von bis zu 90 % bei der Ableitung von . Beim effektiven Radius zu bis zu 30 %. DeltaL ist ein Maß mit Hilfe dessen die Entfernung zur Eiskante bestimmt werden kann, ab welcher die Unsicherheiten bezüglich der 3-D Effekte vernachlässigt werden können.

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.

Globalmodelle sind aufgrund ihres groben Gitters (60 x 60 km) nur unzureichend in der Lage kleinskalige Prozesse (orographische Niederschlagsverstärkung) in der Atmosphäre aufzulösen. Mit Mesoskalenmodellen z.B. dem GESIMA (5 x 5 km) können deshalb die physikalische Grundlagen der Atmosphäre (Wolken- und Niederschlagsbildung) besser studiert und eine Kopplung mit hydrologischen Abflussmodellen erprobt werden. Zukünftig sieht dieses Projekt genau das vor, wobei der erste Teil, die Arbeit mit dem meteorologische Modell hier vorgestellt werden soll. Starkniederschlagserreignisse sind vielerorts auf der Welt mit charakteristischen Wetterlagen verbunden, die quasi über Tage unverändert ergiebigen Regen produzieren. Initialisiert mit den lokalen Vertikalprofilen aus Radiosondendaten, produzieren das prognostische Mesoskalenmodell GESIMA und das diagnostische Niederschlagsberechungsverfahren (MAXRR) maximale Regenmengen vergleichbarer Größenordnung. / Global models are insufficient to solve small scale atmospheric processes (e.g. orographic precipitation) due to their gross resolution (60 x 60 km). With mesoscale models e.g. the GESIMA (5 x 5 km), the physical fundamentals of the atmosphere (formation of precipitation and clouds) can better be studied and a coupling with hydrological models be tested through. This project plans exactly, as a first step, the work with the cited meteorological model. Heavy rainfall events are connected with characteristic weather conditions in many places in the world which produce invariably rain quasi over days. Initialized with the local vertical profiles from radiosonde data, the prediction model GESIMA and the diagnostic model MAXRR produced rain quantities of comparable order of magnitude.

The feedback between clouds and sea ice got more importance in the last years, because of the declining Arctic sea ice extent. Previous observations show the formation of low clouds over newly formed open water. These low clouds are very important for the Arctic Energy Budget, because they warm the surface. This leads to increasing temperatures and stronger sea ice loss. To assess the relationship between sea ice cover and cloudiness, satellite observations by DARDAR were compared with both global climate reanalyses ERA–Interim and MACC. The analysis focuses on 2007 – 2010 and the relationship between different parameters from the different datasets. It is found that the reanalyses only poorly approximate the cloud cover in the Arctic. Consequently no strong correlation was found for the time period 2007 – 2010. / Das Wolken–Albedo–Feedback in der Arktis gewann in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung aufgrund des Rückganges der Meereisfläche. Vorhergehende Arbeiten zeigten die Bildung von tiefer Bewölkung über kürzlich aufgebrochenen Meereisstellen. Diese tiefen Wolken sind sehr wichtig für das arktische Energiebudget, wegen des Erwärmens der Oberfläche. Daraus folgt ein Anstieg in der bodennahen Temperatur und ein verstärkter Rückgang des Meereises. Um den Einfluss der Meereiskonzentration auf die Wolkenbildung zu untersuchen, werden in dieser Arbeit Satellitendaten von DARDAR mit den beiden globalen Klimareanalysen Era–interim und MACC verglichen. Analysiert werden Daten aus den Jahren 2007 bis 2010 und für verschiedene Oberflächenbedingungen werden Korrelationen der einzelnen Datensätze erstellt. Es hat sich gezeigt, dass die Darstellung der Wolkenbedeckung in der Arktis durch die Reanalyse Daten nicht geeignet ist. Aus diesem Grund wurden keine signifikanten Korrelationen in der Zeitspanne von 2007 bis 2010 gefunden.

One major source of uncertainty in current climate projections is the effect of clouds on the Earth’s climate system due to a direct influence on the radiative energy budget as well as through complex feedback mechanisms. The radiative properties of clouds are governed by their microphysical properties, e.g. the thermodynamic phase. However, the interactions of cloud and aerosol particles leading to complex vertical structures of the thermodynamic phase and their influence on the optical properties of clouds are not yet fully understood. Therefore, measurements with the Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere (GLORIA) are utilized during the StratoClim (Stratospheric and upper tropospheric processes for better climate predictions) campaign in the Asian monsoon to detect cloud thermodynamic phase in the terrestrial infrared wavelength range for cloud-side observations. / Der Einfluss von Wolken auf das Klimasystem der Erde bildet einen großen Unsicherheitsfaktor in aktuellen Klimaprojektionen durch einen direkten Effekt auf den Strahlungshaushalt sowie über komplexe Feedbackmechanismen. Die Streueigenschaften von Wolken werden durch deren mikrophysikalische Eigenschaften (z.B. die thermodynamische Phase) bestimmt. Allerdings sind die Wechselwirkungen zwischen Wolken- und Aerosolpartikeln, welche zu komplexen vertikalen Strukturen der thermodynamischen Phase führen und damit die optischen Eigenschaften derWolke beeinflussen, noch nicht endgültig verstanden. Deshalb werden in dieser Studie Messungen mit dem Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere (GLORIA) während der Messkampagne StratoClim (Stratospheric and upper tropospheric processes for better climate predictions) in der asiatischen Monsunregion verwendet, um die thermodynamische Phase von Wolken aus Wolkenseitenbeobachtungen im terrestrischen infraroten Wellenlängenbereich abzuleiten.

Das Wolkenmodul LECLOUD (Devantier (1995), Raabe u.a. (1996)) wurde durchgesehen und eine Reihe von Korrekturen und Verbesserungen vorgenommen. Die Einbindung des ursprünglich nulldimensionalen Wolkenmoduls in das dreidimensionale GESIMA (GEsthachter SimulationsModell der Atmosphäre, siehe auch Kapitza (1987)) wurde überarbeitet und bezüglich Aerosol und Fallgeschwindigkeit konsistent gestaltet. Dadurch verbesserte sich die numerische Stabilität des Wolkenmoduls. Das wird anhand einer mehrtätigen Simulation gezeigt. Sie Simulationen werden mit einer zweidimensionalen Variante des GESIMA durchgeführt. / The cloud module LECLOUD was critically gone through and a number of corrections and enhancements were made. The implementation of the originally 0-dimensional cloud module in the three-dimensional GESIMA (GEsthacht Slmulaion Modell of Atmosphere, see Kapitza (1987)) was revised and made more consistent due to aerosol and fall-speed. So the numerical stability of the cloud module was improved. This is shown on the basis of a simulation over a period of several days at the basis of a two dimensional variant of GESIMA.

The uncertainty of predicted fluxes, variables of state, cloud- and precipitation formation to the choice of plant- and soil parameters, soil type, subgrid-scale heterogeneity and inhomogeneity is examined by results of simulations wherein one parameter is alternatively changed for all grid cells of the domain within its natural range of variability. A higher sensitivity of evapotranspiration to evaporative conductivity, roughness length, and subgridscale heterogeneity or inhomogeneity is found than for the other parameters examined. Except for wind velocity, the quantities of liquid and solid water substances the uncertainty is lower at night and early afternoon than at other times. Therefore, evaluation of meteorological models should be performed at those times of the day when the uncertainty in model results caused by the choice of plant and soil parameters is at a minimum. Furthermore, domainspecific parameters should be used when ever available. / Die Unsicherheit in simulierten Flüssen, Zustandsgrößen, Wolken- und Niederschlagsbildung durch die Wahl der Pflanzen- und Bodenparameter, Bodentypen, subskaligen Heterogenität und Inhomogenität wird mit Hilfe von Ergebnissen aus Simulationen untersucht, in denen alternativ für alle Gitterzellen ein Parameter im Rahmen seiner natürlichen Variabilität verändert wird. So besteht eine höhere Sensitivität der Evapotranspiration zur Verdunstungsleitfähigkeit, Rauhigkeitslänge und subskaligen Heterogenität oder Inhomogenität als zu den anderen untersuchten Größen. Windgeschwindigkeit, die Menge an flüssigen und festen Wassersubstanzen ausgenommen, ist die Unsicherheit nachts und am frühen Nachmittag geringer als zur übrigen Zeit. Deshalb sollten Modellevaluationen möglichst zum Zeitpunkt geringer Unsicherheit durchgeführt werden. Darüber hinaus sollten, wenn möglich, gebietsspezifische Parameter verwendet werden.

In diesem Beitrag werden Ansätze beschrieben, wie man aus flugzeuggetragenen Messungen von Eigenschaften atmosphärischer Extingenten die für Strahlungstransportrechnungen notwendigen Größen und Parameter rekonstruieren kann. Angewendet wird das Programm zur ersten Auswertung für bezüglich der Strahlung verschiedene atmosphärische Situationen. Die Daten hierzu wurden auf der ersten Messkampagne des Projektes INSPECTRO gesammelt. Es zeigt sich für den Fall einer Atmosphäre mit stratiformer Bewölkung eine gute Übereinstimmung mit den Messungen. Eine genaue Berechnung der Extinktion durchWolken mittels Tropfenspektren bringt derzeit keine Vorteile gegenüber einer einfachen Parametrisierung. Für den Fall eines durchbrochenen Wolkenfeldes ergeben sich lokal große Unterschiede zwischen Simulation und Messung. Dennoch läßt sich zeigen, daß die gemessenen und berechneten Felder des aktinischen Flusses einander sehr ähnliche statistische Eigenschaften haben. / In this article some methods to reconstruct an artificial three-dimensional atmosphere from flight measurement data are described. The artificial atmosphere shall accurately represent the scattering properties of the real atmosphere, that are necessary to perform radiative transfer simulations. The method is applied to conduct a preliminary analysis of several atmospheric situations corresponding to different sets of radiative properties. The analyzed measurement data was collected during the first measurement campaign within the INSPECTRO project. In the case of an atmosphere containing a stratiform cloud layer, the measurements and simulation results are in very good agreement. A more accurate calculation of the extinction of radiation within the clouds by way of accounting for measured droplet spectra does momentarily not lead to an improvement in comparison with the simple parameterization method. In the case of a broken cloud field the significant local discrepancies between the measurement data and simulation results are to be noted. Nevertheless it can be shown that the statistical properties of the measured and calculated actinic flux fields resemble each other very closely.