This dissertation focuses on the global investigation of optically thin cirrus cloud optical thickness (tau) and microphysical properties, such as, effective particle size (D_(eff)) and ice crystal habits (shapes), based on the global satellite observations and fast radiative transfer models (RTMs). In the first part, we develop two computationally efficient RTMs simulating satellite observations under cloudy-sky conditions in the visible/shortwave infrared (VIS/SWIR) and thermal inferred (IR) spectral regions, respectively. To mitigate the computational burden associated with absorption, thermal emission and multiple scattering, we generate pre-computed lookup tables (LUTs) using two rigorous models, i.e., the line-by-line radiative transfer model (LBLRTM) and the discrete ordinates radiative transfer model (DISORT). The second part introduces two methods (i.e., VIS/SWIR- and IR-based methods) to retrieve tau and D_(eff) from satellite observations in corresponding spectral regions of the two RTMs. We discuss the advantages and weakness of the two methods by estimating the impacts from different error sources on the retrievals through sensitivity studies. Finally, we develop a new method to infer the scattering phase functions of optically thin cirrus clouds in a water vapor absorption channel (1.38-µm). We estimate the ice crystal habits and surface structures by comparing the inferred scattering phase functions and numerically simulated phase functions calculated using idealized habits.

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.

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.

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.

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.