Initially unpolarized solar radiation is polarized in the atmosphere due to scattering processes at molecules and aerosols. Therefore, the measurement of the polarization state of solar radiation is of vital importance in remote sensing. A SALSA Full Stokes polarization camera measuring the complete Stokes vectors in real time is characterized within this work. The main focus lies on the radiometric calibration as well as the determination and validation of the calibration matrix based on a Data Reduction method. One main issue is the temporal instability of the calibration matrix, which gives rise to the need of a thorough calibration process. In accordance with theoretical expectations and model simulations, the SALSA Full Stokes polarization camera provides reliable measurement results under the condition of Rayleigh scattering. / Die beim Eintritt in die Atmosphäre unpolarisierte solare Strahlung wird durch Streuprozesse an Molekülen oder Aerosolpartikeln polarisiert. Die Messung des Polarisationszustandes der solaren Strahlung spielt deshalb in der Fernerkundung eine wichtige Rolle. Die vorliegende Arbeit charakterisiert eine SALSA Full Stokes Polarisationskamera, die den kompletten Stokes-Vektor in Echtzeit misst. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der radiometrischen Kalibrierung sowie der Bestimmung und Validierung der Kalibrationsmatrix über die Methode der Datenreduktion. Die zeitliche Instabilität der Kalibrationsmatrix stellt ein großes Problem dar und stellt Anforderungen an den Umfang der Kalibrierung. Mit der SALSA Full Stokes Polarisationskamera sind zuverlässige Messungen unter einer rayleighstreuenden Atmosphäre möglich, die in Übereinstimmung mit den theoretischen Erwartungen und Modellsimulationen stehen.

The knowledge of the optical and microphysical properties of aerosol particles in the atmosphere is relevant in various scientific fields from public health issues to climate modeling. A retrieval method is presented that estimates the single scattering albedo and asymmetry parameter of aerosol particles in regions of high pollution using spectral ground-based radiance and irradiance measurements, radiative transfer simulations, and a priori knowledge of the aerosol optical depth (AOD) derived from sun photometer observations. The used measurement data originated from the Pearl River Delta in China. The results are compared with sun photometer data and show a high agreement for AODs larger than 0.5. For low AODs and for cloudy conditions the method did not work due to the strong sensitivity of the initial parameters. / Kenntnisse über optische und mikrophysikalische Eigenschaften von Aerosolpartikeln in der Atmosphäre werden in vielen verschiedenen wissenschaftlichen Gebieten benötigt. Diese reichen vom Gesundheitswesen bis hin zur Klimamodellierung. Deswegen wird im Folgenden eine Ableitungsmethode vorgestellt, die die Einfachstreualbedo und Asymmtrieparameter von Aerosolpartikeln bestimmt. Diese Methode wurde dabei für Messungen im Pearl River Delta, China, in denen oft hohe Luftverschmutzungen auftreten, angewandt. Es werden dazu bodengebundene Messungen der spektralen abwärtsgerichteten Strahlungsflussdichte und Strahldichte, gekoppelt mit Strahlungsübertragungsrechnungen durchgeführt. Um die aerosoloptischen Parameter ableiten zu können, wird als zusätzliche Randbedingung die aerosol-optische Dicke (AOD) benötigt. Sonnenphotometermessungen liefern dabei zum einen die AOD und zum anderen die aerosoloptische Eigenschaften, die mit den Ergebnissen der Ableitungsmethode verglichen werden. Dabei wurden für große AOD-Werte (über 0.5) gute Übereinstimmungen zwischen beiden Methoden festgestellt werden. Für AOD-Werte kleiner als 0.5 und bei bewölkten Bedingungen zeigt die Methode große Unsicherheiten, weil die Parameter zu empfindlich auf diese Begebenheiten reagieren.

We use the middle and upper atmosphere model (MUAM) to analyze forcing mechanisms of the terdiurnal tide (TDT) in the middle atmosphere, namely solar heating and nonlinear wave-wave interactions. First, we present model amplitudes of the TDT during January conditions as a validation and for reference. By switching off single forcings for wavenumber 3 in different model runs we are able to separate the solar and nonlinear forcing contribution. The simulations suggest that solar forcing is the major driver for TDT at low latitudes while nonlinear interactions become more important at middle and high latitude, especially in the winter hemisphere. Additionally we observe increased TDT amplitudes for purely solar driven TDTs without nonlinear forcing in some regions which may be owing to destructive interferences. / Wir nutzen das Modell für die mittlere und obere Atmosphäre (MUAM), um die Anregungsmechanismen der dritteltägigen Gezeiten, solare Erwärmung und Wechselwirkungen zwischen Wellen, zu analysieren. Zunächst präsentieren wir die modellierten Amplituden der dritteltägigen Gezeiten für Januarbedingungen. Dies dient einerseits der Validierung und andererseits als Referenz. Indem die Wellenzahl 3 in den verschiedenen Anregungstermen in einzelnen Läufen ausgeschalten wird, lassen sich die jeweiligen Beiträge aus solarer und nichtlinearer Anregung separieren. Aus den Simulationen lässt sich ableiten, dass solare Erwärmung den Hauptanteil in niedrigen Breiten bildet, während nichtlineare Wechselwirkungen in mittleren und hohen Breiten immer wichtiger werden, vor allem auf der Winterhemisphäre. Zudem beobachten wir verstärkte Amplituden der dritteltägigen Gezeiten bei ausschließlich solarer Anregung ohne nichtlinearen Anteil, was an destruktiver Überlagerung der Antriebsterme liegen kann.

The Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) was used for the period from 1979 to 2015 and for January and July to analyze the interannual and longterm development of the horizontal wind and temperature in the middle atmosphere. Above the troposphere, for each season a long-term temperature decrease was observed, with maxima in the polar stratosphere in winter. In the zonal wind, a weakening and slight northward displacement of the mesospheric westerly wind could be observed in the respective winter hemisphere. On the southern hemisphere in January there was a slight weakening of the wind jets, while in the northern hemisphere a slight increase could be observed in July. For the meridional wind, especially for the mesospheric branch of the meridional wind jet, the southerly wind was intensified in January, while the northerly wind weakened particularly in the southern hemisphere in July. Possible reasons for the long-term trends are discussed. / Mit dem Modell für die mittlere und obere Atmosphäre MUAM wurden Berechnungen über den Zeitraum von 1979 bis 2015 für Januar und Juli durchgeführt, um die Entwicklung des Zonal- und Meridionalwindes sowie der Temperatur zu analysieren. Dabei zeigte sich ganzjährig ein Temperaturrückgang oberhalb der Troposphäre, mit einem Maximum in der polaren Stratosphäre während des Winters. Beim Zonalwind ließ sich in der jeweiligen Winterhemisphäre eine Abschwächung und leichte Nordverlagerung des mesosphärischen Westwindjets beobachten. Auf der Südhemisphäre im Januar kam es zu einer leichten Abschwächung der Starkwindbänder, während im Juli auf der Nordhemisphäre eine leichte Verstärkung festgestellt werden konnte. Für den Meridionalwind, insbesondere für den meridionalen mesosphärischen Windjet zeigte sich im Januar eine Intensivierung des Südwindes, während sich der Nordwind im Juli besonders auf der Südhemisphäre abschwächte. Gründe für diese Trends werden diskutiert.

Ein neues Schema für die Parametrisierung der Schwerewellen und ihres Einflusses auf die mittlere Atmosphäre ist für COMMA-LIM (COlogne Model of the Middle Atmosphere - Leipzig Institute for Meteorology) übernommen worden. Während das bisher in COMMA-LIM genutzte aktualisierte Lindzen-Schema (Lindzen, 1981) die Ausbreitung und das Brechen einzelner Wellen berechnet, geht das Warner und McIntyre-Schema von einem Spektrum der Schwerewellen aus. Beide Schemata gehen von Schwerewellen im mittleren Frequenzbereich zwischen Brunt-Väisäla Frequenz und Rotationsrate der Erde aus (N >> ω >> f). Erste Ergebnisse werden vorgestellt. / A new scheme for the parametrizing of the gravity waves and their impact on the mean circulation of the middle atmosphere has been adapted to COMMA-LIM (COlogne Model of the Middle Atmosphere - Leipzig Institute for Meteorology). The current version based on the Lindzen-scheme (Lindzen, 1981) calculates the propagation and breaking of 48 single waves while the new Warner and McIntyre - scheme uses a spectral approach of gravity waves. Both schemes are based on the medium frequency approach locating the gravity waves between the Brunt-Väisälä-frequency and the rotation rate of the earth ((N >> ω >> f). First results are presented.

Am DLR Neustrelitz wird kontinuierlich die totale Ionosation der Atmosphäre bestimmt und globale Karten der vertikal integrierten Elektronendichte erstellt. Es werden dazu die Signale der Navigationssatelliten-Systeme GPS und GLONASS verwendet. In dieser Arbeit wird die Verteilung des totalen Elektronengehalt (TEC) oberhalb der mittleren Breiten während der Übergangssaison September bis November 2004 auf langperiodische Variationen im Bereich von mehreren Tagen sowie zonalen Wellenzahlen bis zu 5 untersucht. Die Ergebnisse werden mit einer Analyse von planetaren Wellen aus assimilierten Stratosphärendaten, Radardaten für Temperatur vom Collm Observatorium (51.3◦N, 13.0◦O) und Beobachtungen der kritischen Plasmafrequenz der F2-Schicht (f0F2) mit der Ionosonde in Juliusruh (54.6◦N, 13.4◦O) verglichen, um den meteorologischen Einfluss auf die Variation der Ionosphäre zu studieren. / The DLR Neustrelitz regularly produces maps of the total total electron content (TEC) on a global scale using the navigation satellite systems GPS and GLONASS to forecast space weather. In this study we turn our attention to the higher middle latitudes TEC variations during September to November 2004 in a long-period range of several days with a zonal wavenumber up to 5. The results are compared with a planetary wave analysis using assimilated stratospheric data, mesosphere/lower thermosphere radar temperature data at Collm observatory (51.3◦N, 13.0◦E) and the ionosonde observed critical plasma frequency of the F2-layer (f0F2) at Juliusruh (54.6◦N, 13.4◦E) to investigate the meteorological influences on ionospheric variability.

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.

Das Lokalmodell (LM) wurde für eine Reihe von Sensitivitätsuntersuchungen bezüglich orografischer Beeinflussung von Niederschlag verwendet. Für die Initialisierung des Modells mit Anfangs- und Randdaten wurde ein Schema entwickelt, welches eine horizontal homogene und stationäre Strömung aus einem einzelnen Vertikalprofil der benötigten atmosphärischen Variablen erstellt. Dabei wird hier auch der horizontale Luftdruckgradient berücksichtigt, wodurch eventuelle Auswirkungen der Coriolisterme auch ohne eine sehr große Entfernung des Zielgebietes vom Modellrand untersucht werden können. Simulationen mit idealisierten Eingangsfeldern können zur Verdeutlichung des Einflusses eines orografischen Hindernisses auf das dreidimensionale Strömungsfeld dienen. Außerdem sind sie zur Validierung bestimmter Parametrisierungen geeignet, da sich im Gegensatz zu realen Randdaten keine überlagerten synoptisch-skaligen Störungen im Modellgebiet befinden. Die hier verwendete Konvektionsparametrisierung nach Tiedtke (1989) zeigt unterschiedlich ausgeprägte Niederschlagsverteilungen und Flächenmittel in Abhängigkeit von der unterliegenden Orografie. / The Lokalmodell (LM) has been used for a series of sensitivity studies treating orographic modification of precipitation. An initialization technique has been developed which generates a horizontally homogeneous and stationary flow out of a single vertical profile of the required atmospheric variables. Herein, the horizontal pressure gradient is considered as well, allowing to investigate the influence of the Coriolis terms without the need for the area under investigation to be far away from the model boundaries. Simulations with idealized initialization fields can help to illustrate the influence of orographic obstacles on the three-dimensional flow field. Furthermore, they enable to validate certain parameterizations because of the missing synoptic-scale disturbances, which are present using real boundary data. The chosen parameterization of convection after Tiedtke (1989) shows different distributions of precipitation and its area-averaged values depending on the underlying orography.

A mesoscale non-hydrostatic atmospheric model was extended by including both a chemical transport module (CTM) for the chemical triade NO, N02, and 0 3, and an explicit surface-subgrid module (ESSM) for a subscale resolution of the topographical surface. CTEM: The simulated time-dependent concentration fields result from the following processes involved: anthropogenic emission at different heights, biogenic emission, dry deposition on the receptive surface, chemical reactions, turbulent diffusion, and passive transport according to the model dynamics. The calculations in the lowest model layer, usually treated as a constant-flux layer, are now performed on a vertical subgrid that was inserted to better resolve the often observed high concentration gradients within the surface layer. ESSM: Moreover, an equidistant horizontal-subgrid is introduced for finer resolving the topography. The surface fluxes of momentum, sensible and latent heat, long-wave radiation, soil heat flux and wetness as well as the surf ace-energy balance are calculated in the usual approximations, however, employing the individual surface and soil properties of the subgrid cells. The averaged subgrid quantities serve as boundary values required for the model-grid calculations. Within the CTM the ESSM method leads to an intersection of the horizontal ESSM subgrid and the vertical CTM subgrid. Preliminary results representing an interim realization state of the ESSM demonstrate partially strong changes of the dry deposition rates caused by subgrid-resolved surface properties. / Ein mesoskaliges nicht-hydrostatisches Atmosphärenmodell ist um ein Chemie-TransportModul (CTM) zur Berücksichtigung der Triaden-Komponenten NO, N02 und 03 sowie um ein Verfahren zur verfeinerten Auflösung der topographischen Unterlage (explicit surface-subgrid modul ESSM) erweitert worden. CTM: Die simulierten zeitabhängigen Konzentrationsfelder sind das Resultat folgender modellierter Prozesse: Anthropogene Emission in verschiedenen Höhenschichten, biogene Emission, trockene Deposition (Rezeption), die speziellen chemischen Umwandlungen, turbulente Diffusion und passiver Transport. Da der Schwerpunkt der Prozesse und die höchsten Konzentrationsgradienten innerhalb der bodennahen ersten Modellschicht vorliegen, werden die Berechnungen in dieser Schicht auf einem verfeinerten vertikalen Untergitter durchgeführt. ESSM: Unabhängig von den Eigenheiten des CTM wird für alle untergrundbezogenen meteorologischen Größen ein regelmäßiges horizontales Untergitter zwecks Berücksichtigung des subskalig aufgelösten topographischen Untergrundes eingeführt. Auf diesem Untergitter werden in den bisherigen Näherungen alle Oberflächenflüsse für Impuls, fühlbare und latente Wärme, langwellige Strahlung, der Bodenwärmefluß, die Bodenfeuchte sowie die Energiebilanz am Boden berechnet. Die über die Untergitterzellen gemittelten Werte dienen den weiteren Berechnungen im normalen Modellgitter als die erforderlichen Randwerte. Innerhalb des CTM führt die ESSM-Methode zu einer Überlagerung des vertikalen CTM-Untergitters mit dem horizontalen Untergitter des ESSM. Erste Simulationsergebnisse, die dem derzeitigen Stand in der Realisierung des ESSM entsprechen, erbringen teilweise stark veränderte Depositionsraten infolge der Berücksichtigung der horizontal feiner aufgelösten Topographie.

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.