To date, no observation-based proxy for climate change has been successful in quantifying the feedbacks between clouds and climate. The most promising, yet demanding, avenue to gain confi dence in cloud–climate feedback estimates is to utilize observations and large-eddy simulations (LES) or cloud-resolving modeling (CRM) to improve cloud process parameterizations in large-scale models. Sustained and improved satellite observations are essential to evaluate large-scale models. A reanalysis of numerical prediction models with assimilation of cloud, aerosol, and precipitation observations would provide a valuable dataset for examining cloud interactions. The link between climate modeling and numerical weather prediction (NWP) may be exploited by evaluating how accurate cloud characteristics are represented by the parameterization schemes in NWP models. A systematic simplifi cation of large-scale models is an important avenue to isolate key processes linked to cloud–climate feedbacks and would guide the formulation of testable hypotheses for fi eld studies. Analyses of observation-derived correlations between cloud and aerosol properties in combination with modeling studies may allow aerosol–cloud interactions to be detected and quantifi ed. Reliable representations of cloud dynamic and physical processes in large-scale models are a prerequisite to assess aerosol indirect effects on a large scale with confi dence. To include aerosol indirect effects in a consistent manner, we recommend that a “radiative fl ux perturbation” approach be considered as a complement to radiative forcing.

Simulations assuming open-pit mines and different cessation landscapes of open-pit mines with urbanization were performed with a non-hydrostatic meteorological model. The possible enhancement or counteracting of the atmospheric responses to these simultaneously occurring (= accumulated) land-use changes are examined applying a formula drived from the principle of superposition. Although accumulated land-use changes substantially affect the local water and energy fluxes and significantly influence cloud and precipitation microphysics, they do not necessarily provide more significant changes in these quantities than the change of different land-use types to only one land-use type (=single land-use changes). Where the atmospheric responses to accumulated land-use changes are enhanced or inhibited, depends on the thermal, dynamical and hydrologic characteristics of the undergoing accumulated land-use changes as well as on the land-use adjacent to the land-use conversion. In regions dominated by drier surfaces (e.g., agriculture), no enhancement or counteraction according to the principle of superposition could be detected in this study. / Simulationen mit einer Tagebaulandschaft sowie verschiedenen Tagebaufolgelandschaften inklusive Urbanisierung wurden mit einem nicht-hydrostatischen meteorologischen Modell durchgeführt. Eine mögliche Verstärkung oder Abschwächung der atmosphärischen Reaktion auf gleichzeitig auftretende (akkumulierte) Landnutzungsänderungen wird mittels einer auf dem Prinzip der Superposition erstellten Formel untersucht. Obgleich die akkumulierten Landnutzungsänderungen die lokalen Energie- und Wasserflüsse merklich sowie die Wolken und Niederschlagsmikrophysik signifikant beeinflussen, führen sie nicht notwendigerweise zu stärkeren Änderungen dieser Größen als einfache Landnutzungsänderungen. Wo sich akkumulierte Landnutzungsänderungen in ihrer Wirkung auf die Atmosphäre verstärken oder abschwächen, hängt davon ab, wie stark sich die dynamischen, hydrologischen und energetischen Eigenschaften der veränderten Landnutzung von der vorherigen und denen der Umgebung unterscheiden. In Regionen, die durch trockene Flächen charakterisiert sind (z.B. Ackerland), konnte in dieser Studie kein Verstärken oder Abschwächen im Sinne einer Abweichung vom Prinzip der Superposition festgestellt werden.

From September 17 to October 5, 2012, a field campaign with focus on clouds, aerosols, radiation and dynamics and their interaction in clouds that was coordinated and organized by the Leipzig Institute for Meteorology took place at the Zugspitze mountain. / Vom 17. September bis 5. Oktober wurde vom Leipziger Institut eine Feldkampagne zur Untersuchung der Wechselwirkung von Aerosolen, Niederschlag und Strahlung insbesondere in Hinblick auf konvektive Wolken auf der Zugspitze koordiniert und organisiert.

This article gives an overview of the DACAPO-PESO field experiment, which has taken place in Punta Arenas, Chile, from November 2018 to November 2021, and showcases first exciting research results that have already emerged from it. / In diesem Artikel wird ein Überblick über das DACAPO-PESO Experiment gegeben, welches von November 2018 bis November 2021 in Punta Arenas, Chile, stattgefunden hat. Außerdem werden erste spannende Forschungsergebnisse vorgestellt, die bereits daraus gewonnen wurden.

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

This thesis is devoted to the experimental quantitative characterization of the shape and orientation distribution of ice particles in clouds. The characterization is based on measured and modeled elevation dependencies of the polarimetric parameters differential reflectivity and correlation coefficient. The polarimetric data is obtained using a newly developed 35-GHz cloud radar MIRA-35 with hybrid polarimetric configuration and scanning capabilities. The full procedure chain of the technical implementation and the realization of the setup of the hybrid-mode cloud radar for the shape determination are presented. This includes the description of phase adjustments in the transmitting paths, the introduction of the general data processing scheme, correction of the data for the differences of amplifications and electrical path lengths in the transmitting and receiving channels, the rotation of the polarization basis by 45°, the correction of antenna effects on polarimetric measurements, the determination of spectral polarimetric variables, and the formulation of a scheme to increase the signal-to-noise ratio. Modeling of the polarimetric variables is based on existing backscattering models assuming the spheroidal representation of cloud scatterers. The parameters retrieved from the model are polarizability ratio and degree of orientation, which can be assigned to certain particle orientations and shapes. In the thesis the first quantitative estimations of ice particle shape at the top of liquid-topped clouds are presented. Analyzed ice particles were formed in the presence of supercooled water and in the temperature range from -20 °C to -3 °C. The estimation is based on polarizability ratios of ice particles measured by the MIRA-35 with hybrid polarimetric configuration, manufactured by METEK GmbH. For the study, 22 cases observed during the ACCEPT (Analysis of the Composition of Clouds with Extended Polarization Techniques) field campaign were used. Polarizability ratios retrieved for cloud layers with cloud-top temperatures of about -5, -8, -15, and -20 °C were 1.6, 0.9, 0.6, and 0.9, respectively. Such values correspond to prolate, quasi-isotropic, oblate, and quasi-isotropic particles, respectively. Data from a free-fall chamber were used for the comparison. A good agreement of detected shapes with well-known shape{temperature dependencies observed in laboratories was found.

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.

Land-use changes impact the energy balance of the Earth system, and feedbacks in the Earth system can dampen or amplify this perturbation. We analyze here from satellite data the response of clouds and subsequently radiation to a change of land use for the example of deforestation in the Amazon Basin. In this region, the characteristics of different cloud types over two vegetation types (forest and crop-/grasslands) were calculated for a time period of five years by using satellite data from the instruments MODIS and CERES. The cloud types are defined according to height, optical thickness, and fraction of cloud cover. For calculating the radiative forcing caused by deforestation, the dependency of spatial and temporal averages for the reflected shortwave and outgoing longwave radiation of the top of the atmosphere on vegetation types were determined as well. The results show distinct differences in cloud cover and radiative forcing over crop-/grasslands and forests for the two vegetation regimes, implying a potentially significant positive cloud feedback to deforestation.

Die hohe raumzeitliche Variabilität von konvektiven Wolken hat erhebliche Auswirkungen auf die Quantifizierung des Wolkenstrahlungseffektes. Da konvektive Wolken in atmosphärischen Modellen üblicherweise parametrisiert werden müssen, sind Beobachtungsdaten notwendig, um deren Variabilität sowie Modellunsicherheiten zu quantifizieren. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Charakterisierung der raumzeitlichen Variabilität von warmen konvektiven Wolkenfeldern mithilfe von Meteosat Beobachtungen sowie deren Anwendbarkeit für die Modellevaluierung. Verschiedene Metriken wurden untersucht, um Unsicherheiten in Modell- und Satellitendaten sowie ihre Limitierungen zu quantifizieren. Mithilfe des hochaufgelösten sichtbaren (HRV) Kanals von Meteosat wurde eine Wolkenmaske entwickelt, welche mit 1×2 km² die Auflösung der operationellen Wolkenmaske von 3×6 km² deutlich übertrifft. Diese ermöglicht eine verbesserte Charakterisierung von kleinskaligen Wolken und bietet eine wichtige Grundlage für die Weiterentwicklung von satellitengestützten Wolkenalgorithmen. Für die Untersuchung der Lebenszyklen konvektiver Wolkenfelder wurde ein Tracking-Algorithmus entwickelt. Die raumzeitliche Entwicklung des Flüssigwasserpfads (LWP) wurde sowohl in einer Eulerschen Betrachtungsweise als auch entlang Lagrange’scher Trajektorien analysiert. Für die Wolkenfelder ergab sich eine charakteristische Längenskala von 7 km. Als Maß für die Wolkenlebenszeit ergab sich eine Lagrange’sche Dekorrelationszeit von 31 min. Unter Berücksichtigung des HRV Kanals verringern sich die Dekorrelationsskalen signifikant, was auf eine Sensitivität gegenüber der räumlichen Auflösung hindeutet. Für eine Quantifizierung dieser Sensitivität wurden Simulationen des ICON-LEM Modells mit einer Auflösung von bis zu 156 m berücksichtigt. Verbunden mit einem zwei- bis vierfach geringeren konvektiven Bedeckungsgrad besitzen die simulierten Wolken bei dieser hohen Auflösung deutlich größere LWP Werte. Diese Unterschiede verschwinden im Wesentlichen, wenn die simulierten Wolkenfelder auf die optische Auflösung von Meteosat gemittelt werden. Die Verteilungen der Wolkengrößen zeigen einen deutlichen Abfall für Größen unterhalb der 8- bis 10-fachen Modellauflösung, was der effektive Auflösung des Modells entspricht. Dies impliziert, dass eine noch höhere Auflösung wünschenswert wäre, damit mit ICON-LEM Wolkenprozesse unterhalb der 1 km-Skala realistisch simuliert werden können. Diese Skala wird zukünftig erfreulicherweise vom Meteosat der dritten Generation abgedeckt. Dies wird ein entscheidender Schritt für ein verbessertes Verständnis von kleinskaligen Wolkeneffekten sowie für die Parametrisierung von Konvektion in NWP und Klimamodellen sein.

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.