Non-spherical particles scatter and polarize solar radiation depending on their shape, size, chemical composition and orientation. In addition, such information is crucial in radiative transfer modeling. Therefore, in this study, the implementation of polarization into a three-dimensional radiative transfer model is introduced and its validation through benchmark results. The model is based on the statistical Monte Carlo method (in the forward scheme) and takes into account multiple scattering and the polarization states of the monochromatic radiation. It calculates column-response pixel-based polarized radiative densities for 3D inhomogeneous cloudy atmospheres and is hence best suited for use in remote sensing applications. To this end, the model can be used to explore the potential of remote sensing techniques which distinguish between spherical and non-spherical particles on the one side and coarse mode dust particles and ice particles on the other side.

The ionospheric response to solar EUV variability during 2011 - 2014 is shown by an EUV proxy based on primary ionization calculations using combined solar spectra from SDO/EVE and SolACES on board the ISS. The daily proxies are compared with global mean TEC analyses. At time scales of the solar rotation and longer, there is a time lag between EUV and TEC variability of about one to two days, indicating dynamical processes in the thermosphere/ionosphere systems. This lag is not seen at shorter time scales. When taking this delay into account the TEC variance at the seasonal and short-term time scale explained by EUV variations increases from 71% to 76%. / Die ionosphärische Antwort auf Variationen des solaren EUV im Zeitraum 2011-2014 wird anhand eines Proxys dargestellt, welcher die primäre Ionisation auf der Basis gemessener solare EUV-Spektren beinhaltet. Die täglichen Werte werden mit Analysen des global gemittelten Gesamtelektronengehalts verglichen. Auf Zeitskalen der solaren Rotation und länger findet sich eine Zeitverzögerung zwischen der EUV-Variation und des derjenigen des Gesamtelektronengehalts von ein bis 2 Tagen, welche auf dynamische Prozesse im System Thermosphäre/Ionosphäre hinweist. Die Verzögerung ist auf kurzen Zeitskalen nicht zu sehen. Wenn diese Verzögerung berücksichtigt wird, erhöht sich die durch EUV-Variationen erklärte Varianz des Elektronengehalts von 71% auf 76%.

Using a global circulation model of the middle atmosphere we analyze the influence of different tropospheric gravity wave amplitude distributions in the gravity wave parameterization on the mean circulation. Thereby we compare the standard configuration, which includes a simple zonal mean weighting of gravity wave amplitudes with a more realistic zonal mean weighting obtained from measurements using GPS radio occultations and a GW distribution in both latitude and longitude. The results show a stronger polar vortex and a descent of the meridional wind jet in the mesopause. Furthermore, two-dimensional weightings from the measurements are considered in order to analyze nonzonal effects resulting especially in stationary planetary waves. In this case we obtain a stronger stationary planetary wave and find enhanced equatorward wave motions in the lower stratosphere. These results give reason for further investigations about the impact of gravity waves on the Brewer-Dobson circulation. / Mit Hilfe eines globalen Zirkulationsmodells für die mittlere Atmosphäre untersuchen wir den Einfluss verschiedener in der Troposphäre festgelegter Verteilungen der Schwerewellenamplitude in der Schwerewellenparametrisierung des Modells auf die mittlere Zirkulation. Dazu vergleichen wir den Standardfall zonal gemittelter künstlicher Wichtungen der Schwerewellenamplituden mit sowohl zonal gemittelten als auch längen-breitenabhängigen Wichtungen aus GPS-Radiookkultationensmessungen. Die Ergebnisse zeigen einen stärkeren Polarwirbel und ein Absinken des meridionalen Windjets in der Mesopause. Zusätzlich wurden zweidimensionale Wichtungen aus den GPS-Radiookkultationen ausgwertet, um den Einfluss planetarer Wellen zu analysieren. In diesem Fall lässt sich eine äquatorwärts gerichtete Verstärkung der Wellenbewegung in der unteren Stratosphäre feststellen. Diese Ergebnisse geben Anlass für weitere Nachforschungen über den Einfluss von Schwerewellen auf die Brewer-Dobson-Zirkulation.

Using measurements, derived from a meteor radar in Collm (51.3°N, 13°E), the mesopause region is analyzed with respect to the temperature distribution at an altitude of 90 km over a period of 10 years. The analyzed period lasts from 2005 till 2013. Based on these measurements, the typical temperature seasonal cycle of the mesopause region can be observed. The temperature reaches its minimum of about 130 K in summer and its maximum of about 220 K in winter. At this altitude, also strong day-today- fluctuations of up to 35 K exist, which are probably partly induced by planetary waves. Shorter-period oscillations with a period between 2 and 6 days have maximum amplitudes during summer, while longer-period oscillations with a period between 7 and 20 days maximize during winter. During the measurement period the amplitudes of oscillations with periods between 4 and 6 days, which may be attributed to the quasi-5-day-wave, increase with time. / Auf der Grundlage von Messungen eines Meteorradars in Collm (51.3°N, 13°E), die in einer Höhe von 90 km erfolgten, was in etwa der Mesopause entspricht, wird die Temperatur hinsichtlich ihres Jahresganges und insbesondere ihrer Variationen in einem Messzeitraum von 10 Jahren analysiert. Der analysierte Zeitraum erstreckt sich von 2005 bis 2013. Anhand der Daten kann man den typischen Jahresgang der Temperatur in der Mesopausenregion erkennen. Die Temperatur erreicht im Sommer das Minimum bei etwa 130 K und im Winter das Maximum bei etwa 220 K. Zudem treten starke Tag-zu-Tag-Fluktuationen auf, die im Maximum 35 K betragen. Diese werden vermutlich durch planetare Wellenaktivität der Atmosphäre hervorgerufen. Hierbei spielen im Sommer die kurzwelligen und im Winter die langwelligen Oszillationen, letztere mit Perioden größer 7 Tage, die wesentliche Rolle. Ferner sind innerhalb des Messzeitraums zunehmende Amplituden von Oszillationen mit Perioden zwischen 4 und 6 Tagen (quasi 5-Tage-Welle) zu erkennen.

The terdiurnal tide (TDT) in the mesosphere and lower thermosphere has been simulated with a 3D mechanistic circulation model of the middle atmosphere. The tidal temperature amplitude shows a clear seasonal cycle with peaks in the midlatitudes and near the equator at equinox. Under solstice conditions maximum amplitudes occur at 10° in the summer hemisphere and at 30-40° latitude in the winter hemisphere. The vertical wavelengths are large at midlatitudes and small at the equator with about 15 km. These characteristics are compared with SABER/TIMED satellite data from 2002-2009. Especially for temperature amplitudes good agreement is visible. At 90 km, comparison of the zonal wind TDT with radar observations from the literature also shows that the model realistically simulates the seasonal cycle of the TDT. / Die achtstündige Gezeit (TDT) in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre wurde mit einem 3D mechanistischen Zirkulationsmodell der mittleren Atmosphäre modelliert. Die Amplitude der achtstündigen Gezeit in der Temperatur zeigt dabei eine klare saisonale Variabilität mit Maxima im Bereich der mittleren Breiten und des Äquators während der Äquinoktien. Die vertikale Wellenlänge ist in den mittleren Breiten groß und am Äquator mit ca. 15 km klein. Diese Strukturen werden mit SABER/TIMED Satellitenmessungen der Jahre 2002-2009 verglichen. Vor allem für die Amplituden in der Temperatur ist eine gute Übereinstimmung zu erkennen. Ein Vergleich der achtstündigen Gezeit im Zonalwind in 90 km Höhe mit Radarmessungen aus der Literatur zeigt, dass das Modell den Jahresgang realistisch simuliert.

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.

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.

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.

Temperature can be estimated by acoustic propagation time measurements along known sound paths. By using a multitude of known sound paths in combination with a tomographic reconstruction technique a spatial and temporal resolution of the temperature field can be achieved. Based on it, this article focuses on an experimental method in order to determine the spatially differentiated development of room temperature with only one loudspeaker and one microphone. The theory of geometrical room acoustics is being used to identify sound paths under consideration of reflections. The propagation time along a specific sound path is derived from the room impulse response. Temporal variances in room impulse response can be attributed primarily to a change in air temperature and airflow. It is shown that in the absence of airflow a three-dimensional acoustic monitoring of the room temperature can be realized with a fairly limited use of hardware. / Die Temperatur kann mithilfe von akustischen Laufzeitmessungen auf definierten Schallstrecken ermittelt werden. Der Einsatz multipler Schallstrecken, in Verbindung mit einem tomografischen Rekonstruktionsverfahren, erlaubt eine räumliche Auflösung der genannten klimatologischen Größe. Aufbauend darauf, befasst sich dieser Artikel mit einer experimentellen Methode zur Erfassung der räumlich und zeitlich aufgelösten Entwicklung der Raumtemperatur mit lediglich einem Lautsprecher und einem Mikrofon. Die Theorie der geometrischen Raumakustik wird genutzt, um Schallstrecken, unter der Berücksichtigung von Reflexionen, zu identifizieren. Die zu den Ausbreitungswegen gehörenden Laufzeiten werden aus einer gemessenen Raumimpulsantwort abgeleitet. Zeitliche Varianzen in Raumimpulsantworten sind in erster Linie auf die Veränderung der Lufttemperatur und von Strömungsverhältnissen zurückzuführen. Es wird gezeigt, dass bei Abwesenheit von Raumluftströmungen, eine dreidimensionale, akustische Überwachung der Raumtemperatur mit einem sehr geringen Einsatz an Messtechnik realisiert werden kann.

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.