Clouds are one of the major uncertainties in climate change predictions caused by their complex structure and dynamics. Numerous cloud processes are acting from cloud-scale down to mm-scale and interplay with each other as well as with atmospheric processes. This complexity on the one hand and the high spatial resolution required to analyse the small scale processes on the other hand cause difficulties in cloud research. One important and until now insufficiently understood process in cloud microphysics is the entrainment process. It defines the turbulent transport of sub-saturated environmental air into the cloud region. Subsequent mixing leads to the evaporation of cloud droplets resulting in negatively buoyant air at cloud edge. One distinguishes between two types of entrainment processes: cloud top and lateral entrainment. While the first type is mostly detected at the top of stratiform clouds, lateral entrainment plays an important role for the dynamics of cumulus clouds. Within in this thesis, highly-resolved measurements with a resolution down to the centimeter scale performed with the helicopter-borne measurement payload ACTOS (Airborne Cloud Turbulence Observation System) are used to study both types of entrainment processes. Shear-induced cloud top entrainment leads to a turbulent inversion layer (TIL) atop of a stratocumulus layer consisting of clear air. The TIL seems to be coupled with the underlying cloud layer due to the turbulence intensity. With increasing thickness of the TIL the turbulence inside is damped monotonically leading to a maximum layer thickness and inhibiting direct mixing between cloud top and free troposphere. At the edges of shallow trade wind cumuli, shear-induced lateral entrainment generates a subsiding shell. Its evolution is analysed based on detailed measurements in continuously developing shallow cumuli. With the cloud evolution, the subsiding shell grows at the expense of the cloud core region and an increasing downdraft velocity is observed within this region. These observations are confirmed with the simulation of an idealised subsiding shell. The results present unique observations at the edges of clouds and are an appreciable progress in cloud research which decisively influence future research.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln im Passatklima und deren Einfluss auf Passatwolken untersucht. Die Arbeit basiert auf Messungen mit der hubschrauber-getragenen Messplattform ACTOS. Es wurden zwei Intensivmesskampagnen im November 2010 und April 2011 durchgeführt, welche 31 Forschungsflüge in der Nähe der östlichsten Karibik-Insel Barbados umfassen. Die gemessenen Partikel-Anzahl-Größenverteilungen weisen meist eine bimodale Verteilung auf, welche typisch für marines Aerosol ist. Im Vergleich zu kontinentalen Verhältnissen ist die Totalanzahlkonzentration der Aerosolpartikel von 100-1000 cm-3 gering. Eine statistische Analyse einzelner Wolken lässt auf typische Anzahlkonzentrationen von aktivierten Partikeln bis zu 400 cm-3 und minimale Aktivierungsdurchmesser in der Größenordnung von 40 nm bis 180 nm mit entsprechenden maximalen kritischen Übersättigungen zwischen 0.1 und 0.9% schließen. Zusätzlich wurden wesentliche Einflussfaktoren auf die Anzahlkonzentration aktivierter Partikel identifiziert: 1) Vertikalwind an der Wolkenunterkante und 2) Anzahlkonzentration der verfügbaren Aerosolpartikel, die als Wolkenkondensationskeime dienen können. Mit Hilfe von Beobachtungsdaten und einer umfassenden Sensitivitätsstudie unter Verwendung eines Luftpaketmodells mit spektraler Wolkenmikrophysik wurde die Sensitivität der Wolkentropfenkonzentration gegenüber Änderungen in den physikalischen Eigenschaften und der Hygroskopizität von Aerosolpartikeln untersucht. Die beobachteten Ergebnisse in Form von sogenannten \"aerosol-cloud interaction metrics\" (ACI, Maß für den Einfluss von Änderungen einer bestimmten Aerosoleigenschaft auf eine bestimmte Wolkeneigenschaft) zeigen eine sehr hohe Sensitivität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Partikelanzahlkonzentration (in der Nähe des physikalisch sinnvollen Maximums von eins). Diese abgeleiteten ACI-Metriken eignen sich als Basis für Abschätzungen des indirekten Strahlungsantriebes auf der Grundlage von Beobachtungen. Zusätzliche Modellrechnungen umfassen die gemessenen Partikeleigenschaften während der gesamten Kampagnen. Die Ergebnisse unterstreichen besonders die Bedeutung der physikalischen Partikeleigenschaften. Die Suszeptibilität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Partikelanzahlkonzentration (Wertebereich: 0-1) ist am größten (> 0.9) für den Fall eines stark ausgeprägten Akkumulations-Mode und nimmt ab, je stärker der Aitken-Mode ausgeprägt ist (> 0.6). Im Gegensatz dazu ist die Sensitivität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Hygroskopizität der Partikel generell geringer (< 0.4). Die hier präsentierten Ergebnisse stellen eine umfangreiche Charakterisierung der Aerosol- und Wolkeneigenschaften im Passatklima dar und können helfen, die vorhergesagte Sensitivität der Wolkeneigenschaften in Klimamodellen gegenüber Änderungen der Aerosoleigenschaften zu evaluieren und deren Unsicherheiten zu reduzieren. / Within the scope of this dissertation, microphysical properties of aerosol particles in the trade wind regime and their influence on microphysical properties of trade wind cumulus clouds have been investigated. The study is based on measurements performed with the helicopter-borne measurement platform ACTOS. Two intensive measurement periods were carried out in November 2010 and April 2011, including 31 research flights close to the easternmost Caribbean island - Barbados. Aerosol particle number size distributions show a bimodal structure, which is typical for marine aerosol particles. The total particle concentrations of approximately 100-1000 cm-3 are compared to continental conditions relatively low. A statistical analysis of individual clouds reveals typical number concentrations of activated particles up to 400 cm-3 and minimum activation diameters between 40 and 180 nm with corresponding critical supersaturations between 0.1 and 1%. Additionally, major factors affecting the number concentration of activated particles are identifed: 1) vertical wind velocity at cloud base and, 2) number concentration of available aerosol particles as potential cloud condensation nuclei. With the help of observational data and a comprehensive sensitivity study using a spectral cloud microphysical parcel model, the sensitivity of the cloud droplet number concentration towards changes in the microphysical aerosol particle properties and their hygroscopicity has been investigated. Observational results in terms of so-called aerosol-cloud interactions metrics (describes a measure of the influence of changes in one specific aerosol property on one specific cloud property) show a very high sensitivity (close to the physical meaningful maximum of unity) of the number concentration of activated particles towards changes in the particle number concentration. These aerosol-cloud interaction metrics can be used as basis for observationally-based radiative forcing estimates. Additional model calculations cover the entire range of the observed aerosol properties during both campaigns. The results underline particularly the importance of the physical aerosol properties. The calculated susceptibility (valuation: 0-1) of the droplet number concentration towards changes in the particle number concentration is highest (> 0.9) for accumulation mode dominated particle number size distributions and decreases for Aitken mode dominated size distributions (> 0.6). In contrast, for the modeled parameter space, the sensitivity towards changes in the particle hygroscopicity is generally below 0.4. The findings presented in this study represent a comprehensive characterization of aerosol and cloud microphysical properties in the trade wind regime. These findings may help to evaluate the predicted sensitivity of cloud microphysical properties by climate models towards changes in particle microphysical properties and reduce the uncertainties in climate sensitivity estimates.

Clouds are one of the major uncertainties in climate change predictions caused by their complex structure and dynamics. Numerous cloud processes are acting from cloud-scale down to mm-scale and interplay with each other as well as with atmospheric processes. This complexity on the one hand and the high spatial resolution required to analyse the small scale processes on the other hand cause difficulties in cloud research. One important and until now insufficiently understood process in cloud microphysics is the entrainment process. It defines the turbulent transport of sub-saturated environmental air into the cloud region. Subsequent mixing leads to the evaporation of cloud droplets resulting in negatively buoyant air at cloud edge. One distinguishes between two types of entrainment processes: cloud top and lateral entrainment. While the first type is mostly detected at the top of stratiform clouds, lateral entrainment plays an important role for the dynamics of cumulus clouds. Within in this thesis, highly-resolved measurements with a resolution down to the centimeter scale performed with the helicopter-borne measurement payload ACTOS (Airborne Cloud Turbulence Observation System) are used to study both types of entrainment processes. Shear-induced cloud top entrainment leads to a turbulent inversion layer (TIL) atop of a stratocumulus layer consisting of clear air. The TIL seems to be coupled with the underlying cloud layer due to the turbulence intensity. With increasing thickness of the TIL the turbulence inside is damped monotonically leading to a maximum layer thickness and inhibiting direct mixing between cloud top and free troposphere. At the edges of shallow trade wind cumuli, shear-induced lateral entrainment generates a subsiding shell. Its evolution is analysed based on detailed measurements in continuously developing shallow cumuli. With the cloud evolution, the subsiding shell grows at the expense of the cloud core region and an increasing downdraft velocity is observed within this region. These observations are confirmed with the simulation of an idealised subsiding shell. The results present unique observations at the edges of clouds and are an appreciable progress in cloud research which decisively influence future research.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln im Passatklima und deren Einfluss auf Passatwolken untersucht. Die Arbeit basiert auf Messungen mit der hubschrauber-getragenen Messplattform ACTOS. Es wurden zwei Intensivmesskampagnen im November 2010 und April 2011 durchgeführt, welche 31 Forschungsflüge in der Nähe der östlichsten Karibik-Insel Barbados umfassen. Die gemessenen Partikel-Anzahl-Größenverteilungen weisen meist eine bimodale Verteilung auf, welche typisch für marines Aerosol ist. Im Vergleich zu kontinentalen Verhältnissen ist die Totalanzahlkonzentration der Aerosolpartikel von 100-1000 cm-3 gering. Eine statistische Analyse einzelner Wolken lässt auf typische Anzahlkonzentrationen von aktivierten Partikeln bis zu 400 cm-3 und minimale Aktivierungsdurchmesser in der Größenordnung von 40 nm bis 180 nm mit entsprechenden maximalen kritischen Übersättigungen zwischen 0.1 und 0.9% schließen. Zusätzlich wurden wesentliche Einflussfaktoren auf die Anzahlkonzentration aktivierter Partikel identifiziert: 1) Vertikalwind an der Wolkenunterkante und 2) Anzahlkonzentration der verfügbaren Aerosolpartikel, die als Wolkenkondensationskeime dienen können. Mit Hilfe von Beobachtungsdaten und einer umfassenden Sensitivitätsstudie unter Verwendung eines Luftpaketmodells mit spektraler Wolkenmikrophysik wurde die Sensitivität der Wolkentropfenkonzentration gegenüber Änderungen in den physikalischen Eigenschaften und der Hygroskopizität von Aerosolpartikeln untersucht. Die beobachteten Ergebnisse in Form von sogenannten \"aerosol-cloud interaction metrics\" (ACI, Maß für den Einfluss von Änderungen einer bestimmten Aerosoleigenschaft auf eine bestimmte Wolkeneigenschaft) zeigen eine sehr hohe Sensitivität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Partikelanzahlkonzentration (in der Nähe des physikalisch sinnvollen Maximums von eins). Diese abgeleiteten ACI-Metriken eignen sich als Basis für Abschätzungen des indirekten Strahlungsantriebes auf der Grundlage von Beobachtungen. Zusätzliche Modellrechnungen umfassen die gemessenen Partikeleigenschaften während der gesamten Kampagnen. Die Ergebnisse unterstreichen besonders die Bedeutung der physikalischen Partikeleigenschaften. Die Suszeptibilität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Partikelanzahlkonzentration (Wertebereich: 0-1) ist am größten (> 0.9) für den Fall eines stark ausgeprägten Akkumulations-Mode und nimmt ab, je stärker der Aitken-Mode ausgeprägt ist (> 0.6). Im Gegensatz dazu ist die Sensitivität der Tropfenanzahlkonzentration gegenüber Änderungen in der Hygroskopizität der Partikel generell geringer (< 0.4). Die hier präsentierten Ergebnisse stellen eine umfangreiche Charakterisierung der Aerosol- und Wolkeneigenschaften im Passatklima dar und können helfen, die vorhergesagte Sensitivität der Wolkeneigenschaften in Klimamodellen gegenüber Änderungen der Aerosoleigenschaften zu evaluieren und deren Unsicherheiten zu reduzieren. / Within the scope of this dissertation, microphysical properties of aerosol particles in the trade wind regime and their influence on microphysical properties of trade wind cumulus clouds have been investigated. The study is based on measurements performed with the helicopter-borne measurement platform ACTOS. Two intensive measurement periods were carried out in November 2010 and April 2011, including 31 research flights close to the easternmost Caribbean island - Barbados. Aerosol particle number size distributions show a bimodal structure, which is typical for marine aerosol particles. The total particle concentrations of approximately 100-1000 cm-3 are compared to continental conditions relatively low. A statistical analysis of individual clouds reveals typical number concentrations of activated particles up to 400 cm-3 and minimum activation diameters between 40 and 180 nm with corresponding critical supersaturations between 0.1 and 1%. Additionally, major factors affecting the number concentration of activated particles are identifed: 1) vertical wind velocity at cloud base and, 2) number concentration of available aerosol particles as potential cloud condensation nuclei. With the help of observational data and a comprehensive sensitivity study using a spectral cloud microphysical parcel model, the sensitivity of the cloud droplet number concentration towards changes in the microphysical aerosol particle properties and their hygroscopicity has been investigated. Observational results in terms of so-called aerosol-cloud interactions metrics (describes a measure of the influence of changes in one specific aerosol property on one specific cloud property) show a very high sensitivity (close to the physical meaningful maximum of unity) of the number concentration of activated particles towards changes in the particle number concentration. These aerosol-cloud interaction metrics can be used as basis for observationally-based radiative forcing estimates. Additional model calculations cover the entire range of the observed aerosol properties during both campaigns. The results underline particularly the importance of the physical aerosol properties. The calculated susceptibility (valuation: 0-1) of the droplet number concentration towards changes in the particle number concentration is highest (> 0.9) for accumulation mode dominated particle number size distributions and decreases for Aitken mode dominated size distributions (> 0.6). In contrast, for the modeled parameter space, the sensitivity towards changes in the particle hygroscopicity is generally below 0.4. The findings presented in this study represent a comprehensive characterization of aerosol and cloud microphysical properties in the trade wind regime. These findings may help to evaluate the predicted sensitivity of cloud microphysical properties by climate models towards changes in particle microphysical properties and reduce the uncertainties in climate sensitivity estimates.