The general circulation model COMMA-LIM solves the primitive equations on a sphere using gridpoints. The relative large interval between adjacent gridpoints (5° × 5.6° latitude versus longitude) causes an incorrect meridional temperature gradient in the coarsly resolved troposphere that leads to too weak winds there, particularly in the lower winter stratosphere above the polar region. By using the technique of nudging 11-year averaged NCEP zonal mean temperature data were assimilated into COMMA-LIM. This means that longitudinal dependent processes as calculated by the model still influence the atmosphere. The nudging method has improved not only the lower atmosphere, but also the middle atmospheric jets show a more realistic behaviour. A numerical experiment by forcing the 16-day wave was carried out in order to investigate the influence of an improved background circulation on the vertical propagation of planetary waves. / Das globale Zirkulationsmodell COMMA-LIM berechnet die primitiven Gleichungen auf einem Kugelgitter. Der relativ große Gitterabstand von 5°× 5.6° in Breite und Länge und die grobe vertikale Auflösung führen zu einem inkorrekten meridionalen Temperaturgradienten in der Troposphäre, so dass die troposphärischen Jets und der polare Winterwirbel zu schwach ausgeprägt sind. Mit Hilfe der Methode des Nudging wurden in den unteren 30 km der Atmosphäre 11-Jahres gemittelte NCEP Reanalysedaten des Temperaturfeldes assimiliert. Dabei wurde nur der zonale Mittelwert der berechneten Temperatur an die Reanalysedaten relaxiert, so dass die Antriebsterme, die von COMMA-LIM berechnet werden, erhalten bleiben. Durch diese Methode wurden Wind- und Temperaturfeld sowohl in der Troposphäre als auch in der mittleren Atmosphäre verbessert. Ein Experiment zur Ausbreitung der 16-Tage Welle wurde unter den neuen Bedingungen durchgeführt, und der Einfluß der veränderten Atmosphäre auf die vertikale Wellenausbreitung wurde untersucht.

Die Signale des Global Positioning Systems (GPS) ermöglichen nicht nur die präzise Positionsbestimmung an jedem Ort der Erde, sondern enthalten auch Informationen über den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Aus diesen Informationen kann mit Hilfe tomographischer Verfahren die dreidimensionale Wasserdampfverteilung in der Troposphäre rekonstruiert werden. Dabei ist es von besonderem Interesse, wie zuverlässig die Wasserdampfverteilung alleine aus den Daten bodengestützter GPS-Netzwerke, d. h. ohne die Einbeziehung von Low Earth Orbitern (LEOs) oder von Wettersatelliten, bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck werden GPS-Daten für unterschiedliche GPS-Netzwerke simuliert und auf ihre Eignung für eine tomographische Rekonstruktion untersucht. Besonders der Zusammenhang zwischen der Anzahl der Satelliten, der Stationsdichte und der in der tomographischen Rekonstruktion erreichbaren Auflösung ist dabei von großer Bedeutung. Aus diesem Grund erfolgt zunächst eine geometrische Bewertung der GPS-Eingangsdaten. Die Rekonstruktion eines 3D-Feldes und die dabei auftretenden Abweichungen zwischen dem originalen und dem rekonstruierten Feld werden abschließend an einem Beispiel dargestellt. / The signals of the global positioning system (GPS) can not only be used to obtain the precise position all over the world but carry also information about the water vapour distribution in the atmosphere. This 3D distribution can be reconstructed from the GPS data by means of tomographic techniques. Of special interest is the quality of the reconstructed 3D distribution using data from GPS ground stations alone, without regarding low earth orbiters (LEOs) and weather satellites. Therefore, GPS data have been simulated for different model networks. A subsequent data validation shows the correlation between the number of GPS satellites, the density of ground stations and the spatial resolution of the water vapour field which might be obtained from a tomographic reconstruction. Some selected data sets have been used to reconstruct a given 3D distribution and to analyse variations between the initial model field and the results obtained with different tomographic techniques.

The general circulation model COMMA-LIM solves the primitive equations on a sphere using gridpoints. The relative large interval between adjacent gridpoints (5° × 5.6° latitude versus longitude) causes an incorrect meridional temperature gradient in the coarsly resolved troposphere that leads to too weak winds there, particularly in the lower winter stratosphere above the polar region. By using the technique of nudging 11-year averaged NCEP zonal mean temperature data were assimilated into COMMA-LIM. This means that longitudinal dependent processes as calculated by the model still influence the atmosphere. The nudging method has improved not only the lower atmosphere, but also the middle atmospheric jets show a more realistic behaviour. A numerical experiment by forcing the 16-day wave was carried out in order to investigate the influence of an improved background circulation on the vertical propagation of planetary waves. / Das globale Zirkulationsmodell COMMA-LIM berechnet die primitiven Gleichungen auf einem Kugelgitter. Der relativ große Gitterabstand von 5°× 5.6° in Breite und Länge und die grobe vertikale Auflösung führen zu einem inkorrekten meridionalen Temperaturgradienten in der Troposphäre, so dass die troposphärischen Jets und der polare Winterwirbel zu schwach ausgeprägt sind. Mit Hilfe der Methode des Nudging wurden in den unteren 30 km der Atmosphäre 11-Jahres gemittelte NCEP Reanalysedaten des Temperaturfeldes assimiliert. Dabei wurde nur der zonale Mittelwert der berechneten Temperatur an die Reanalysedaten relaxiert, so dass die Antriebsterme, die von COMMA-LIM berechnet werden, erhalten bleiben. Durch diese Methode wurden Wind- und Temperaturfeld sowohl in der Troposphäre als auch in der mittleren Atmosphäre verbessert. Ein Experiment zur Ausbreitung der 16-Tage Welle wurde unter den neuen Bedingungen durchgeführt, und der Einfluß der veränderten Atmosphäre auf die vertikale Wellenausbreitung wurde untersucht.

Die Signale des Global Positioning Systems (GPS) ermöglichen nicht nur die präzise Positionsbestimmung an jedem Ort der Erde, sondern enthalten auch Informationen über den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Aus diesen Informationen kann mit Hilfe tomographischer Verfahren die dreidimensionale Wasserdampfverteilung in der Troposphäre rekonstruiert werden. Dabei ist es von besonderem Interesse, wie zuverlässig die Wasserdampfverteilung alleine aus den Daten bodengestützter GPS-Netzwerke, d. h. ohne die Einbeziehung von Low Earth Orbitern (LEOs) oder von Wettersatelliten, bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck werden GPS-Daten für unterschiedliche GPS-Netzwerke simuliert und auf ihre Eignung für eine tomographische Rekonstruktion untersucht. Besonders der Zusammenhang zwischen der Anzahl der Satelliten, der Stationsdichte und der in der tomographischen Rekonstruktion erreichbaren Auflösung ist dabei von großer Bedeutung. Aus diesem Grund erfolgt zunächst eine geometrische Bewertung der GPS-Eingangsdaten. Die Rekonstruktion eines 3D-Feldes und die dabei auftretenden Abweichungen zwischen dem originalen und dem rekonstruierten Feld werden abschließend an einem Beispiel dargestellt. / The signals of the global positioning system (GPS) can not only be used to obtain the precise position all over the world but carry also information about the water vapour distribution in the atmosphere. This 3D distribution can be reconstructed from the GPS data by means of tomographic techniques. Of special interest is the quality of the reconstructed 3D distribution using data from GPS ground stations alone, without regarding low earth orbiters (LEOs) and weather satellites. Therefore, GPS data have been simulated for different model networks. A subsequent data validation shows the correlation between the number of GPS satellites, the density of ground stations and the spatial resolution of the water vapour field which might be obtained from a tomographic reconstruction. Some selected data sets have been used to reconstruct a given 3D distribution and to analyse variations between the initial model field and the results obtained with different tomographic techniques.

To understand the contribution of aerosol particles to radiative forcing and heterogeneous chemical processes in the upper troposphere and lowermost stratosphere (UT/LMS), the knowledge of the particle size distribution is mandatory. Unfortunately, measurements in the UT/LMS are costly. Research aircrafts are expensive and thus their application is limited in time and space. Satellite remote sensing measurements provide a good temporal and spatial (horizontal) coverage, but only a limited vertical resolution and currently cannot resolve the particle size distribution. Therefore, within this thesis an optical particle counter (OPC) unit was modified for the application onboard a passenger long-haul aircraft within the CARIBIC project (www.caribic-atmospheric.com). The CARIBIC OPC unit provides regular and cost-efficient particle size distribution measurements of accumulation mode particles in the UT/LMS. In April 2010, the new OPC unit was installed for the first time onboard the Lufthansa Airbus A340 600 (D-AIHE) for the measurement of the volcanic ash cloud from the Eyjafjallajökull eruption (April to May 2010). Since June 2010 the OPC unit measures on usually four intercontinental flights per month the UT/LMS particle size distribution in the particle size range 125 to 1300 nm particle diameter. As the data acquisition stores the scattering raw signal and all housekeeping data as well, during the post flight data analysis the temporal- and size channel resolution can be flexible set. Within this work the data were analyzed with 32 size channels and 300 seconds. As aircraft-borne measurements are always time-consuming, the development of the OPC unit and the analysis routine, as well as its characterization and certification took more than two thirds of the total working time of this thesis. Therefore, the analysis of the data is limited to the first year of regular measurements until May 2011. Nevertheless, this dataset is sufficient to demonstrate the scientific relevance of these measurements. To validate the OPC data, a comparison to particle size distributions measured from board research aircraft was carried out. The analysis of the volcanic ash flights in April and May 2010 showed strongly enhanced particle mass concentrations inside the plumes and agreed in some regions very well to the particle mass concentration predicted by a dispersion model. A further case study shows the occurrence of a surprising large (1000 km) and high concentrated pollution plume over eastern Asia close to Osaka (Japan). Inside the plume the highest particle number- and mass concentrations measured with the OPC unit in the analysis period were observed (except volcanic ash flights). A detailed analysis of the in parallel measured trace gasses as well as meteorological- and LIDAR data showed, the observed plume originate from biomass burning and industrial emissions in eastern China. A third case study gives a first attempt of a mass closure/validation between the particle masses derived by the CARIBIC OPC unit and the CARIBIC impactor particle samples. First statistical analyses to the vertical, meridional, and seasonal variation of the accumulation mode particle size distribution and therefrom derived parameter indicate a stratospheric vertical increasing gradient for the particle number- and mass concentration. In general in the mid-latitude LMS the concentration of accumulation mode particles was found to be on average 120% higher than in the mid-latitude UT. The mid-latitude LMS particle size distribution shows a seasonal variation with on average 120% higher concentrations during spring compared to fall. This results can be explained with general dynamics in the stratosphere (Brewer-Dobson Circulation) and in the tropopause region (stratosphere-troposphere-exchange, STE). An anti-correlation of gaseous mercury to the stratospheric particle surface area concentration (R²=0.97) indicates that most likely stratospheric aerosol particles do act as a sink for gaseous mercury. Finally, two comparisons of the OPC data to data from satellite remote sensing and a global aerosol model underline the OPC potential and the benefits of creating an in situ measured reference dataset. / Um die Rolle von Aerosolpartikeln beim Strahlungsantrieb und der heterogenen chemischen Prozessen in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (OT/US) verstehen zu können, ist es unabdingbar die Partikelgrößenverteilung zu kennen. Messungen der Partikelgrößenverteilung in dieser Region sind allerdings aufwendig. Der Einsatz von Forschungsflugzeugen ist teuer und deshalb zeitlich und räumlich nur begrenzt. Satellitenmessungen bieten zwar eine gute zeitliche und räumliche (horizontal) Abdeckung, aber nur eine begrenzte vertikale Auflösung. Weiterhin können bisherige Satellitenmessungen die Partikelgrößenverteilung nicht auflösen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein optischer Partikelzähler (OPC) Messeinschub für den Einsatz an Bord eines Langstrecken-Passagierflugzeugs aufgebaut (CARIBIC Projekt, www.caribic-atmospheric.com). Mit diesem Messeinschub kann regelmäßig und kosteneffizient die Partikelgrößenverteilung des Akkumulationsmodes in der OT/US gemessen werden. Im April 2010 wurde der neue OPC Einschub erstmals an Bord des Lufthansa Airbus A340-600 (D-AIHE) installiert um die Vulkanasche der Eyjafjallajökull Eruption (April bis Mai 2010) zu messen. Seit Juni 2010 misst der OPC Einschub auf durchschnittlich vier Interkontinentalflügen pro Monat die Partikelgrößenverteilung der OT/US im Größenbereich zwischen 125 und 1300 nm Partikeldurchmesser. Während des Fluges speichert die Datenerfassung alle Rohsignale ab und ermöglicht dadurch eine nutzerspezifische Datenauswertung nach dem Flug (z. B. Anzahl der Größenkanäle oder Zeitauflösung). Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Daten mit 32 Größenkanälen und 300 Sekunden analysiert. Da fluggetragene Messungen immer sehr aufwendig sind, beanspruchte die Entwicklung des OPC Einschubs und des Analysealgorithmus, sowie die Charakterisierung und Zertifizierung mehr als zwei Drittel der Gesamtarbeitszeit dieser Arbeit. Daher ist die Analyse der Messdaten auf das erste Jahr der regulären Messungen bis Mai 2011 beschränkt. Dennoch ist dieser Datensatz geeignet um die wissenschaftliche Relevanz dieser Messungen zu demonstrieren. Um die OPC-Daten zu validieren, wurde ein Vergleich mit bisherigen OPC Messungen von Bord Forschungsflugzeugen durchgeführt. Die Analyse der Vulkanascheflüge im April und Mai 2010 zeigte in der Abluftfahne stark erhöhte Partikelmassekonzentrationen, welche in einigen Vergleichsregionen sehr gut mit der Vorhersage eines Disperionsmodells übereinstimmten. Eine weitere Fallstudie zeigt das Auftreten einer überraschend großen (1000 km) und hoch konzentrierten Abluftfahne über Ostasien nahe Osaka (Japan). In der Abluftfahne wurde die im Analysezeitraum höchste mit dem CARIBIC OPC gemessene Partikelanzahl- und Massenkonzentration beobachtet (ausgenommen Vulkanascheflüge). Eine detaillierte Analyse der parallel gemessenen Spurengase, sowie meteorologischer Daten und LIDAR Profile zeigte, dass die beobachtete Abluftfahne eine Mischung aus Biomasseverbrennungs- und Industrieabgasen aus Ost-China war. Eine dritte Fallstudie stellt einen ersten Versuch einer Massenschließung/Validierung zwischen der aus den CARIBIC OPC-Daten abgeleiteten Partikelmasse und der Partikelmasse aus CARIBIC Impaktorproben dar. Erste statistische Analysen zur vertikalen, meridionalen und saisonalen Variabilität der Partikelgrößenverteilung im Akkumulationsmode und daraus abgeleiteten Parametern zeigen einen vertikal ansteigenden Gradienten für die Partikelanzahl- und Massenkonzentration. Generell war in der US der mittleren Breiten die Konzentration von Akkumulationsmode Partikeln im Mittel um 120% höher als in der OT der mittleren Breiten. Weiterhin wurde in der US der mittleren Breiten eine jahreszeitliche Schwankung gefunden. Im Frühling war die mit dem OPC gemessene Partikelkonzentrationen im Mittel um 120% höher als im Herbst. Diese Befunde lassen sich mit der atmosphärischen Dynamik in der Stratosphäre (Brewer-Dobson Zirkulation) und in der Tropopausenregion (Stratosphäre-Troposphäre-Austauschprozesse) erklären. Eine gefundene negative Korrelation von gasförmigen Quecksilber mit der stratosphärischen Partikeloberflächenkonzentration (R²=0.97) ist ein starker Indikator dafür, dass in der US Aerosolpartikel eine Senke für gasförmiges Quecksilber darstellen. Zum Abschluss unterstreichen zwei Vergleiche der OPC-Daten mit Satellitenmessungen und Ergebnissen eines globalen Aerosolmodels das Potential und den Nutzen der CARIBIC OPC Daten als in-situ gemessenen Referenzdatensatz.

To understand the contribution of aerosol particles to radiative forcing and heterogeneous chemical processes in the upper troposphere and lowermost stratosphere (UT/LMS), the knowledge of the particle size distribution is mandatory. Unfortunately, measurements in the UT/LMS are costly. Research aircrafts are expensive and thus their application is limited in time and space. Satellite remote sensing measurements provide a good temporal and spatial (horizontal) coverage, but only a limited vertical resolution and currently cannot resolve the particle size distribution. Therefore, within this thesis an optical particle counter (OPC) unit was modified for the application onboard a passenger long-haul aircraft within the CARIBIC project (www.caribic-atmospheric.com). The CARIBIC OPC unit provides regular and cost-efficient particle size distribution measurements of accumulation mode particles in the UT/LMS. In April 2010, the new OPC unit was installed for the first time onboard the Lufthansa Airbus A340 600 (D-AIHE) for the measurement of the volcanic ash cloud from the Eyjafjallajökull eruption (April to May 2010). Since June 2010 the OPC unit measures on usually four intercontinental flights per month the UT/LMS particle size distribution in the particle size range 125 to 1300 nm particle diameter. As the data acquisition stores the scattering raw signal and all housekeeping data as well, during the post flight data analysis the temporal- and size channel resolution can be flexible set. Within this work the data were analyzed with 32 size channels and 300 seconds. As aircraft-borne measurements are always time-consuming, the development of the OPC unit and the analysis routine, as well as its characterization and certification took more than two thirds of the total working time of this thesis. Therefore, the analysis of the data is limited to the first year of regular measurements until May 2011. Nevertheless, this dataset is sufficient to demonstrate the scientific relevance of these measurements. To validate the OPC data, a comparison to particle size distributions measured from board research aircraft was carried out. The analysis of the volcanic ash flights in April and May 2010 showed strongly enhanced particle mass concentrations inside the plumes and agreed in some regions very well to the particle mass concentration predicted by a dispersion model. A further case study shows the occurrence of a surprising large (1000 km) and high concentrated pollution plume over eastern Asia close to Osaka (Japan). Inside the plume the highest particle number- and mass concentrations measured with the OPC unit in the analysis period were observed (except volcanic ash flights). A detailed analysis of the in parallel measured trace gasses as well as meteorological- and LIDAR data showed, the observed plume originate from biomass burning and industrial emissions in eastern China. A third case study gives a first attempt of a mass closure/validation between the particle masses derived by the CARIBIC OPC unit and the CARIBIC impactor particle samples. First statistical analyses to the vertical, meridional, and seasonal variation of the accumulation mode particle size distribution and therefrom derived parameter indicate a stratospheric vertical increasing gradient for the particle number- and mass concentration. In general in the mid-latitude LMS the concentration of accumulation mode particles was found to be on average 120% higher than in the mid-latitude UT. The mid-latitude LMS particle size distribution shows a seasonal variation with on average 120% higher concentrations during spring compared to fall. This results can be explained with general dynamics in the stratosphere (Brewer-Dobson Circulation) and in the tropopause region (stratosphere-troposphere-exchange, STE). An anti-correlation of gaseous mercury to the stratospheric particle surface area concentration (R²=0.97) indicates that most likely stratospheric aerosol particles do act as a sink for gaseous mercury. Finally, two comparisons of the OPC data to data from satellite remote sensing and a global aerosol model underline the OPC potential and the benefits of creating an in situ measured reference dataset. / Um die Rolle von Aerosolpartikeln beim Strahlungsantrieb und der heterogenen chemischen Prozessen in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (OT/US) verstehen zu können, ist es unabdingbar die Partikelgrößenverteilung zu kennen. Messungen der Partikelgrößenverteilung in dieser Region sind allerdings aufwendig. Der Einsatz von Forschungsflugzeugen ist teuer und deshalb zeitlich und räumlich nur begrenzt. Satellitenmessungen bieten zwar eine gute zeitliche und räumliche (horizontal) Abdeckung, aber nur eine begrenzte vertikale Auflösung. Weiterhin können bisherige Satellitenmessungen die Partikelgrößenverteilung nicht auflösen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein optischer Partikelzähler (OPC) Messeinschub für den Einsatz an Bord eines Langstrecken-Passagierflugzeugs aufgebaut (CARIBIC Projekt, www.caribic-atmospheric.com). Mit diesem Messeinschub kann regelmäßig und kosteneffizient die Partikelgrößenverteilung des Akkumulationsmodes in der OT/US gemessen werden. Im April 2010 wurde der neue OPC Einschub erstmals an Bord des Lufthansa Airbus A340-600 (D-AIHE) installiert um die Vulkanasche der Eyjafjallajökull Eruption (April bis Mai 2010) zu messen. Seit Juni 2010 misst der OPC Einschub auf durchschnittlich vier Interkontinentalflügen pro Monat die Partikelgrößenverteilung der OT/US im Größenbereich zwischen 125 und 1300 nm Partikeldurchmesser. Während des Fluges speichert die Datenerfassung alle Rohsignale ab und ermöglicht dadurch eine nutzerspezifische Datenauswertung nach dem Flug (z. B. Anzahl der Größenkanäle oder Zeitauflösung). Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Daten mit 32 Größenkanälen und 300 Sekunden analysiert. Da fluggetragene Messungen immer sehr aufwendig sind, beanspruchte die Entwicklung des OPC Einschubs und des Analysealgorithmus, sowie die Charakterisierung und Zertifizierung mehr als zwei Drittel der Gesamtarbeitszeit dieser Arbeit. Daher ist die Analyse der Messdaten auf das erste Jahr der regulären Messungen bis Mai 2011 beschränkt. Dennoch ist dieser Datensatz geeignet um die wissenschaftliche Relevanz dieser Messungen zu demonstrieren. Um die OPC-Daten zu validieren, wurde ein Vergleich mit bisherigen OPC Messungen von Bord Forschungsflugzeugen durchgeführt. Die Analyse der Vulkanascheflüge im April und Mai 2010 zeigte in der Abluftfahne stark erhöhte Partikelmassekonzentrationen, welche in einigen Vergleichsregionen sehr gut mit der Vorhersage eines Disperionsmodells übereinstimmten. Eine weitere Fallstudie zeigt das Auftreten einer überraschend großen (1000 km) und hoch konzentrierten Abluftfahne über Ostasien nahe Osaka (Japan). In der Abluftfahne wurde die im Analysezeitraum höchste mit dem CARIBIC OPC gemessene Partikelanzahl- und Massenkonzentration beobachtet (ausgenommen Vulkanascheflüge). Eine detaillierte Analyse der parallel gemessenen Spurengase, sowie meteorologischer Daten und LIDAR Profile zeigte, dass die beobachtete Abluftfahne eine Mischung aus Biomasseverbrennungs- und Industrieabgasen aus Ost-China war. Eine dritte Fallstudie stellt einen ersten Versuch einer Massenschließung/Validierung zwischen der aus den CARIBIC OPC-Daten abgeleiteten Partikelmasse und der Partikelmasse aus CARIBIC Impaktorproben dar. Erste statistische Analysen zur vertikalen, meridionalen und saisonalen Variabilität der Partikelgrößenverteilung im Akkumulationsmode und daraus abgeleiteten Parametern zeigen einen vertikal ansteigenden Gradienten für die Partikelanzahl- und Massenkonzentration. Generell war in der US der mittleren Breiten die Konzentration von Akkumulationsmode Partikeln im Mittel um 120% höher als in der OT der mittleren Breiten. Weiterhin wurde in der US der mittleren Breiten eine jahreszeitliche Schwankung gefunden. Im Frühling war die mit dem OPC gemessene Partikelkonzentrationen im Mittel um 120% höher als im Herbst. Diese Befunde lassen sich mit der atmosphärischen Dynamik in der Stratosphäre (Brewer-Dobson Zirkulation) und in der Tropopausenregion (Stratosphäre-Troposphäre-Austauschprozesse) erklären. Eine gefundene negative Korrelation von gasförmigen Quecksilber mit der stratosphärischen Partikeloberflächenkonzentration (R²=0.97) ist ein starker Indikator dafür, dass in der US Aerosolpartikel eine Senke für gasförmiges Quecksilber darstellen. Zum Abschluss unterstreichen zwei Vergleiche der OPC-Daten mit Satellitenmessungen und Ergebnissen eines globalen Aerosolmodels das Potential und den Nutzen der CARIBIC OPC Daten als in-situ gemessenen Referenzdatensatz.