The development and application of new cloud retrieval methods from ground–based and airborne measurements of spectral radiance fields above heteorogeneous surfaces is introduced. The potential of imaging spectrometers in remote–sensing applications is evaluated. The analyzed spectral radiance fields were measured during two international field campaigns in the visible wavelength range (400–970 nm) with high spatial (<10m) resolution. From ground–based measurements, high ice clouds were observed and from airborne measurements Arctic stratus. From the measurements, cloud optical thickness is retrieved with high spatial resolution and the horizontal cloud inhomogeneities are investigated. Depending on the measurement configuration, different uncertainties arise for the retrieval of the cloud optical thickness. A reduction of those uncertainties is derived by a specification of the ice crystal shape to improve the retrieval of the optical thickness of high ice clouds. The ice crystal shape is obtained independently from the angular information of the scattering phase function features, imprinted in the radiance fields. A performed sensitivity study reveals uncertainties of up to 90%, when neglecting this information and applying a wrong crystal shape to the retrieval. For remote-sensing of Arctic stratus, the highly variable surface albedo influences the accuracy of the cloud optical thickness retrieval. In cloudy cases the transition of reflected radiance from open water to sea ice is not instantaneous but horizontally smoothed. In general, clouds reduce the reflected radiance above bright surfaces in the vicinity of open water, while it is enhanced above open sea. This results in an overestimation of to up to 90% in retrievals of the optical thickness. This effect is investigated. Using observations and three-dimensional radiative transfer simulations, this effect is quantified to range to up to 2200 m distance to the sea-ice edge (for dark-ocean albedo of αwater = 0.042 and sea-ice albedo of αice = 0.91 at 645 nm wavelength) and to depend on macrophysical cloud and sea-ice properties. The retrieved fields of cloud optical thickness are statistically investigated. Auto–correlation functions and power spectral density analysis reveal that in case of clouds with prevailing directional cloud structures, cloud inhomogeneities cannot be described by a universally valid parameter. They have to be defined along and across the prevailing cloud structures to avoid uncertainties up to 85%. / Im folgenden wird die Entwicklung und Anwendung neuer Ableitungsverfahren von Wolkenparametern, basierend auf bodengebundener und flugzeuggetragener spektraler Strahldichtemessungen über heterogenen Untergründen, vorgestellt und das Fernerkundungspotential abbildender Spektrometer evaluiert. Die spektralen Strahldichtefelder wurden während zweier internationaler Feldkampagnen im sichtbaren Wellenlängenbereich (400–970 nm) mit hoher räumlich Auflösung (<10m) gemessen. Bodengebundene Messungen wurden genutzt, um hohe Eiswolken zu beobachten und flugzeuggetragenen um arktischen Stratus zu beobachten. Aus den Messungen werden räumlich hochaufgelöste wolkenoptische Dicken abgeleitet und anschließend horizontale Wolkeninhomogenitäten untersucht. Die Ableitung der wolkenoptischen Dicke birgt je nach Messkonfiguration verschiedene Unsicherheiten. Eine Reduzierung der Unsicherheiten wird durch die Vorgabe einer Eiskristallform zur Verbesserung der Ableitung der optischen Dicke hoher Eiswolken erreicht. Diese werden unabhängig aus den winkelabhängigen, in das gemessene Strahldichtefeld eingeprägten Eigenschaften der Streuphasenfunktion, abgeleitet. Bei Vernachlässigung dieser Information und Wahl der falschen Eiskristallform, treten Fehler in der abgeleiteten optischen Dicke von bis zu 90% auf. Bei der Fernerkundung von arktischem Stratus beeinflusst die sehr variable Bodenalbedo die Genauigkeit der Ableitung der optischen Dicke. Beim Übergang von Meereis zu Wasser, findet die Abnahme der reflektierten Strahldichte im bewölktem Fall nicht direkt über der Eiskante, sondern horizontal geglättet statt. Allgemein reduzieren Wolken die reflektierte Strahldichte über Eisflächen nahe Wasser, während sie über dem Wasser erhöht wird. Dies führt zur Überschätzung der wolkenoptischen Dicke über Wasserflächen nahe Eiskanten von bis zu 90 %. Dieser Effekt wird mit Hilfe von Beobachtungen und dreidimensionalen Strahlungstransferrechnungen untersucht und es wird gezeigt, dass sein Einfluss noch bis zu 2200 m Entfernung zur Eiskante wirkt (für Meeresalbedo 0.042 und Meereisalbedo 0.91 bei 645 nm Wellenlänge) und von den makrophysikalischen Wolken- und Meereiseigenschaften abhängt. Die abgeleiteten Felder der optischen Dicke werden statistisch ausgewertet, um die Inhomogeneität der Wolken zu charakterisieren. Autokorrelationsfunktionen und Leistungsdichtespektren zeigen, dass Inhomogenitäten von Wolken mit vorranging richtungsabhängiger Struktur nicht mit einem allgemeingültigen Parameter beschrieben werden können. Es sind Inhomogenitätsmaße entlang und entgegen der jeweiligen Wolkenstrukturen nötig, um Fehler von bis zu 85% zu vermeiden.

Zur Beschreibung von realen Prozessen werden oft Differentialgleichungen herangezogen. Liegen nun Messdaten von diesen Prozessen vor, so sollen auch die Parameter im mathematischen Modell so gewählt werden, dass diese den Messungen entsprechen. Dieser Vortrag zeigt, wie dies in Mathcad mit der Funktion genfit realisiert werden kann.

In this thesis 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. A statistical analysis of retrieved cloud properties during three Atlantic transects is introduced. Similar characteristics of cloud properties are found in the mid latitudes and northern subtropics but the large variability of meridional distribution in the remaining regions imply the prevailing influence of weather systems compared to typical cloud distributions. With about 63% homogeneous stratocumulus clouds are found to be the prevailing cloud type over ocean, while scattered and inhomogeneous liquid water clouds amount to 16% and 21%, respectively. All analyzed distributions are affected by an increased frequency of small values of cloud properties caused by 3D radiative effects. The comparison with satellite-based and ship-based cloud retrievals along the cruise track show comparable results for the cloud optical thickness with limitations for thick liquid water clouds. The meridional distribution of effective radius agreed within the uncertainties of both methods, however, the satellite-derived values are biased toward larger mean values.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Sub- und Superdiffusion in fraktalen Strukturen. Der Fokus liegt auf zwei separaten Ansätzen, die entsprechend des Diffusionbereiches gewählt und variiert werden. Dadurch erhält man ein tieferes Verständnis und eine bessere Beschreibungsweise für beide Bereiche. Im ersten Teil betrachten wir subdiffusive Prozesse, die vor allem bei Transportvorgängen, z. B. in lebenden Geweben, eine grundlegende Rolle spielen. Hierbei modellieren wir den fraktalen Zustandsraum durch endliche Sierpinski Teppiche mit absorbierenden Randbedingungen und lösen dann die Mastergleichung zur Berechnung der Zeitentwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung. Zur Charakterisierung der Diffusion auf regelmäßigen und zufälligen Teppichen bestimmen wir die Abfallzeit der Wahrscheinlichkeitsverteilung, die mittlere Austrittszeit und die Random Walk Dimension. Somit können wir den Einfluss zufälliger Strukturen auf die Diffusion aufzeigen. Superdiffusive Prozesse werden im zweiten Teil der Arbeit mit Hilfe der Diffusionsgleichung untersucht. Deren zweite Ableitung im Ort erweitern wir auf nichtganzzahlige Ordnungen, um die fraktalen Eigenschaften der Umgebung darzustellen. Die resultierende raum-fraktionale Diffusionsgleichung spannt ein Übergangsregime von der irreversiblen Diffusionsgleichung zur reversiblen Wellengleichung auf. Deren Lösungen untersuchen wir mittels verschiedener Entropien, wie Shannon, Tsallis oder Rényi Entropien, und deren Entropieproduktionsraten, welche natürliche Maße für die Irreversibilität sind. Das dabei gefundene Entropieproduktions-Paradoxon, d. h. ein unerwarteter Anstieg der Entropieproduktionsrate bei sinkender Irreversibilität des Prozesses, können wir nach geeigneter Reskalierung der Entropien auflösen. / The aim of this thesis is the examination of sub- and superdiffusive processes in fractal structures. The focus of the work concentrates on two separate approaches that are chosen and varied according to the corresponding regime. Thus, we obtain new insights about the underlying mechanisms and a more appropriate way of description for both regimes. In the first part subdiffusion is considered, which plays a crucial role for transport processes, as in living tissues. First, we model the fractal state space via finite Sierpinski carpets with absorbing boundary conditions and we solve the master equation to compute the time development of the probability distribution. To characterize the diffusion on regular as well as random carpets we determine the longest decay time of the probability distribution, the mean exit time and the Random walk dimension. Thus, we can verify the influence of random structures on the diffusive dynamics. In the second part of this thesis superdiffusive processes are studied by means of the diffusion equation. Its second order space derivative is extended to fractional order, which represents the fractal properties of the surrounding media. The resulting space-fractional diffusion equations span a linking regime from the irreversible diffusion equation to the reversible (half) wave equation. The corresponding solutions are analyzed by different entropies, as the Shannon, Tsallis or Rényi entropies and their entropy production rates, which are natural measures of irreversibility. We find an entropy production paradox, i. e. an unexpected increase of the entropy production rate by decreasing irreversibility of the processes. Due to an appropriate rescaling of the entropy we are able to resolve the paradox.

The development and application of new cloud retrieval methods from ground–based and airborne measurements of spectral radiance fields above heteorogeneous surfaces is introduced. The potential of imaging spectrometers in remote–sensing applications is evaluated. The analyzed spectral radiance fields were measured during two international field campaigns in the visible wavelength range (400–970 nm) with high spatial (<10m) resolution. From ground–based measurements, high ice clouds were observed and from airborne measurements Arctic stratus. From the measurements, cloud optical thickness is retrieved with high spatial resolution and the horizontal cloud inhomogeneities are investigated. Depending on the measurement configuration, different uncertainties arise for the retrieval of the cloud optical thickness. A reduction of those uncertainties is derived by a specification of the ice crystal shape to improve the retrieval of the optical thickness of high ice clouds. The ice crystal shape is obtained independently from the angular information of the scattering phase function features, imprinted in the radiance fields. A performed sensitivity study reveals uncertainties of up to 90%, when neglecting this information and applying a wrong crystal shape to the retrieval. For remote-sensing of Arctic stratus, the highly variable surface albedo influences the accuracy of the cloud optical thickness retrieval. In cloudy cases the transition of reflected radiance from open water to sea ice is not instantaneous but horizontally smoothed. In general, clouds reduce the reflected radiance above bright surfaces in the vicinity of open water, while it is enhanced above open sea. This results in an overestimation of to up to 90% in retrievals of the optical thickness. This effect is investigated. Using observations and three-dimensional radiative transfer simulations, this effect is quantified to range to up to 2200 m distance to the sea-ice edge (for dark-ocean albedo of αwater = 0.042 and sea-ice albedo of αice = 0.91 at 645 nm wavelength) and to depend on macrophysical cloud and sea-ice properties. The retrieved fields of cloud optical thickness are statistically investigated. Auto–correlation functions and power spectral density analysis reveal that in case of clouds with prevailing directional cloud structures, cloud inhomogeneities cannot be described by a universally valid parameter. They have to be defined along and across the prevailing cloud structures to avoid uncertainties up to 85%. / Im folgenden wird die Entwicklung und Anwendung neuer Ableitungsverfahren von Wolkenparametern, basierend auf bodengebundener und flugzeuggetragener spektraler Strahldichtemessungen über heterogenen Untergründen, vorgestellt und das Fernerkundungspotential abbildender Spektrometer evaluiert. Die spektralen Strahldichtefelder wurden während zweier internationaler Feldkampagnen im sichtbaren Wellenlängenbereich (400–970 nm) mit hoher räumlich Auflösung (<10m) gemessen. Bodengebundene Messungen wurden genutzt, um hohe Eiswolken zu beobachten und flugzeuggetragenen um arktischen Stratus zu beobachten. Aus den Messungen werden räumlich hochaufgelöste wolkenoptische Dicken abgeleitet und anschließend horizontale Wolkeninhomogenitäten untersucht. Die Ableitung der wolkenoptischen Dicke birgt je nach Messkonfiguration verschiedene Unsicherheiten. Eine Reduzierung der Unsicherheiten wird durch die Vorgabe einer Eiskristallform zur Verbesserung der Ableitung der optischen Dicke hoher Eiswolken erreicht. Diese werden unabhängig aus den winkelabhängigen, in das gemessene Strahldichtefeld eingeprägten Eigenschaften der Streuphasenfunktion, abgeleitet. Bei Vernachlässigung dieser Information und Wahl der falschen Eiskristallform, treten Fehler in der abgeleiteten optischen Dicke von bis zu 90% auf. Bei der Fernerkundung von arktischem Stratus beeinflusst die sehr variable Bodenalbedo die Genauigkeit der Ableitung der optischen Dicke. Beim Übergang von Meereis zu Wasser, findet die Abnahme der reflektierten Strahldichte im bewölktem Fall nicht direkt über der Eiskante, sondern horizontal geglättet statt. Allgemein reduzieren Wolken die reflektierte Strahldichte über Eisflächen nahe Wasser, während sie über dem Wasser erhöht wird. Dies führt zur Überschätzung der wolkenoptischen Dicke über Wasserflächen nahe Eiskanten von bis zu 90 %. Dieser Effekt wird mit Hilfe von Beobachtungen und dreidimensionalen Strahlungstransferrechnungen untersucht und es wird gezeigt, dass sein Einfluss noch bis zu 2200 m Entfernung zur Eiskante wirkt (für Meeresalbedo 0.042 und Meereisalbedo 0.91 bei 645 nm Wellenlänge) und von den makrophysikalischen Wolken- und Meereiseigenschaften abhängt. Die abgeleiteten Felder der optischen Dicke werden statistisch ausgewertet, um die Inhomogeneität der Wolken zu charakterisieren. Autokorrelationsfunktionen und Leistungsdichtespektren zeigen, dass Inhomogenitäten von Wolken mit vorranging richtungsabhängiger Struktur nicht mit einem allgemeingültigen Parameter beschrieben werden können. Es sind Inhomogenitätsmaße entlang und entgegen der jeweiligen Wolkenstrukturen nötig, um Fehler von bis zu 85% zu vermeiden.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Sub- und Superdiffusion in fraktalen Strukturen. Der Fokus liegt auf zwei separaten Ansätzen, die entsprechend des Diffusionbereiches gewählt und variiert werden. Dadurch erhält man ein tieferes Verständnis und eine bessere Beschreibungsweise für beide Bereiche. Im ersten Teil betrachten wir subdiffusive Prozesse, die vor allem bei Transportvorgängen, z. B. in lebenden Geweben, eine grundlegende Rolle spielen. Hierbei modellieren wir den fraktalen Zustandsraum durch endliche Sierpinski Teppiche mit absorbierenden Randbedingungen und lösen dann die Mastergleichung zur Berechnung der Zeitentwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung. Zur Charakterisierung der Diffusion auf regelmäßigen und zufälligen Teppichen bestimmen wir die Abfallzeit der Wahrscheinlichkeitsverteilung, die mittlere Austrittszeit und die Random Walk Dimension. Somit können wir den Einfluss zufälliger Strukturen auf die Diffusion aufzeigen. Superdiffusive Prozesse werden im zweiten Teil der Arbeit mit Hilfe der Diffusionsgleichung untersucht. Deren zweite Ableitung im Ort erweitern wir auf nichtganzzahlige Ordnungen, um die fraktalen Eigenschaften der Umgebung darzustellen. Die resultierende raum-fraktionale Diffusionsgleichung spannt ein Übergangsregime von der irreversiblen Diffusionsgleichung zur reversiblen Wellengleichung auf. Deren Lösungen untersuchen wir mittels verschiedener Entropien, wie Shannon, Tsallis oder Rényi Entropien, und deren Entropieproduktionsraten, welche natürliche Maße für die Irreversibilität sind. Das dabei gefundene Entropieproduktions-Paradoxon, d. h. ein unerwarteter Anstieg der Entropieproduktionsrate bei sinkender Irreversibilität des Prozesses, können wir nach geeigneter Reskalierung der Entropien auflösen. / The aim of this thesis is the examination of sub- and superdiffusive processes in fractal structures. The focus of the work concentrates on two separate approaches that are chosen and varied according to the corresponding regime. Thus, we obtain new insights about the underlying mechanisms and a more appropriate way of description for both regimes. In the first part subdiffusion is considered, which plays a crucial role for transport processes, as in living tissues. First, we model the fractal state space via finite Sierpinski carpets with absorbing boundary conditions and we solve the master equation to compute the time development of the probability distribution. To characterize the diffusion on regular as well as random carpets we determine the longest decay time of the probability distribution, the mean exit time and the Random walk dimension. Thus, we can verify the influence of random structures on the diffusive dynamics. In the second part of this thesis superdiffusive processes are studied by means of the diffusion equation. Its second order space derivative is extended to fractional order, which represents the fractal properties of the surrounding media. The resulting space-fractional diffusion equations span a linking regime from the irreversible diffusion equation to the reversible (half) wave equation. The corresponding solutions are analyzed by different entropies, as the Shannon, Tsallis or Rényi entropies and their entropy production rates, which are natural measures of irreversibility. We find an entropy production paradox, i. e. an unexpected increase of the entropy production rate by decreasing irreversibility of the processes. Due to an appropriate rescaling of the entropy we are able to resolve the paradox.

Zur Beschreibung von realen Prozessen werden oft Differentialgleichungen herangezogen. Liegen nun Messdaten von diesen Prozessen vor, so sollen auch die Parameter im mathematischen Modell so gewählt werden, dass diese den Messungen entsprechen. Dieser Vortrag zeigt, wie dies in Mathcad mit der Funktion genfit realisiert werden kann.

The discovery of the entropy production paradox (Hoffmann et al., 1998) raised basic questions about the nature of irreversibility in the regime between diffusion and waves. First studied in the form of spatial movements of moments of H functions, pseudo propagation is the pre-limit propagation-like movements of skewed probability density function (PDFs) in the domain between the wave and diffusion equations that goes over to classical partial differential equation propagation of characteristics in the wave limit. Many of the strange properties that occur in this extraordinary regime were thought to be connected in some manner to this form of proto-movement. This paper eliminates pseudo propagation by employing a similar evolution equation that imposes spatial unimodal symmetry on evolving PDFs. Contrary to initial expectations, familiar peculiarities emerge despite the imposed symmetry, but they have a distinct character.

Die Telekommunikation und die ihr zuliefernde Industrie stellen einen softwareintensiven Bereich dar - der durch einen sehr hohen Anteil von Eigenentwicklungen gekennzeichnet ist. Eine wesentliche Ursache dafür sind spezielle Anforderungen an Telekommunikationssoftwaresysteme, die i.allg. nicht durch Standardsoftwareprodukte sichergestellt werden können. Diese Anforderungen ergeben sich aus den besonderen Eigenschaften solcher Softwaresysteme wie die Verteilung der Komponenten von Softwaresystemen sowie die Verteilung der Entwicklung dieser Komponenten, die Heterogenität der Entwicklungs- und Einsatzumgebungen für diese Komponenten und die Komplexität der entwickelten Softwaresysteme hinsichtlich nichtfunktionaler Charakteristika. Die industrielle Entwicklung von Telekommunikationssoftwaresystemen ist ein schwieriger und bisher nicht zufriedenstellend gelöster Prozeß. Aktuelle Forschungsarbeiten thematisieren Softwareentwicklungsprozesse und -techniken sowie unterstützende Werkzeuge zur Erstellung und Integration wiederverwendbarer Softwarekomponenten ("Componentware"). Das Ziel dieser Dissertation besteht in der Unterstützung der industriellen Entwicklung offener, verteilter Telekommunikationssoftwaresysteme. Dazu wird die Entwicklungstechnik Objektorientierte Modellierung mit dem Einsatz von Komponentenarchitekturen durch die automatische Ableitung von Softwarekomponenten aus Modellen zusammengeführt. Die zentrale Idee ist dabei eine präzise Definition der zur Entwicklung von verteilten Softwaresystemen einsetzbaren Modellierungskonzepte in Form eines Metamodells. Von diesem Metamodell ausgehend werden dann zur Konstruktion und Darstellung objektorientierter Entwurfsmodelle eine graphische und eine textuelle Notation definiert. Da die Notationen die Konzepte des Meta- Modells visualisieren, haben sie diesem gegenüber einen sekundären Charakter. Für die Transformation von Entwurfsmodellen in ausführbare Applikationen wurde auf der Grundlage von CORBA eine Komponentenplattform realisiert, die zusätzlich zu Interaktionen zwischen verteilten Softwarekomponenten auch Entwicklungs-, Deployment- und Ausführungsaspekte unterstützt. Wiederum ausgehend vom Metamodell wird durch die Anwendung wohldefinierter Ableitungsregeln die automatische Überführung von Entwurfsmodellen in Softwarekomponenten des zu entwickelnden Systems ermöglicht. Die von den Autoren erarbeiteten Konzeptionen und Vorgehensweisen wurden praktisch in eine Werkzeugumgebung umgesetzt, die sich bereits erfolgreich in verschiedenen Softwareentwicklungsprojekten bewährt hat. / The telecommunication industry and their suppliers form a software intensive domain. In addition, a high percentage of the software is developed by the telecommunication enterprises themselves. A main contributing factor for this situation are specific requirements to telecommunication software systems which cannot be fulfilled by standard off-the-shelf products. These requirements result from particular properties of those software systems, e.g. distributed development and execution of their components, heterogeneity of execution and development environments and complex non-functional characteristics like scalability, reliability, security and manageability. The development of telecommunication software systems is a complex process and currently not satisfactory realized. Actual research topics in this arena are software development processes and development techniques as well as tools which support the creation and integration of reusable software components (component ware). The goal of this thesis work is the support of the industrial development and manufacturing of open distributed telecommunication software systems. For that purpose, the development technique object oriented modelling and the implementation technique usage of component architectures are combined. The available modelling concepts are precisely defined as a metamodel. Based on that metamodel, graphical and textual notations for the presentation of models are developed. To enable a smooth transition from object oriented models into executable components a component architecture based on CORBA was also developed as part of the thesis. This component architecture covers besides the interaction support for distributed components deployment and execution aspects. Again on the basis of the metamodel code generation rules are defined which allow to automate the transition from models to components. The development techniques described in this thesis have been implemented as a tool chain. This tool chain has been successfully used in several software development projects.

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