Evaluation of cloudiness and snowfall simulated by a semi-spectral and a bulk-parameterization scheme of cloud microphysics for the passage of a Baltic heat cyclone

The differences in the concepts of two different parameterizations of cloud microphysics are analyzed. Simulations alternatively applying these parameterizations are performed for a Baltic heat cyclone event. The results of the simulations are compared to each other as well as to observed distributions of cloudiness and snowfall. The main differences between the simulated distributions result from the assumptions on ice, the ice classes, and size distributions of the cloud and precipitating particles. Both schemes succeeded in predicting the position and the main structure of the main cloud and snowfall fields. Nevertheless, the more convective type parameterization overestimates, while the other one underestimates snowfall.Die Unterschiede in den Konzepten zweier unterschiedlicher Parametrisierungen der Wolkenmikrophysik werden analysiert. Die Ergebnisse der Simulationen werden miteinander und mit den beobachteten Wolken- und Schneeverteilungen für eine Baltische Wärmezyklone verglichen. Die wesentlichen Unterschiede in den berechneten Verteilungen resultieren aus den verschiedenen Annahmen über Wolkeneis, die Eisklassen und die Größenverteilungen der Wolken- und Niederschlagspartikel. Beide Schemata sagen die Position und die wesentlichen Strukturen der Wolken- und Schneeverteilungen erfolgreich vorher. Dennoch überschätzt das eher konvektive Schema den Schneefall, während das andere ihn unterschätzt

Variation of cloud horizontal sizes and cloud fraction over Europe 1985–2018 in high-resolution satellite data

Aerosol-cloud interactions are a major uncertainty in estimating the anthropogenic climate change. Adjustments of cloud properties to an aerosol perturbation concern among others the cloud fraction, and have been emphasised as particularly complex. Cloud adjustments can generate important responses on the distribution of cloud horizontal sizes. We derive the cloud-size distribution as observational constraint for the cloud-fraction response from high-resolution Landsat satellite data. The goal is to carry out long-term trends in cloud sizes and cloud fraction over Europe during 1985–2018 to investigate the impact of major aerosol reductions during that time. Landsat data with a high spatial resolution of 30m was preprocessed via the web-based platform Google Earth Engine to evade the obstacle of high computational effort and time to handle the comprehensive data archive. The observed multidecadal trends indicate a widespread increase in cloud fraction during 1985–2018. This corresponds to a decrease in the number of small clouds of several 10–100m cloud length, whereas larger clouds (1 km and more), which contribute more to the cloud fraction, became more numerous. We confirm this by showing a largescale decrease of the power-law exponent describing the relative abundance of small and large clouds in the cloud-size distribution. Even though we can interpret the observed changes in cloud properties as significant trends, we do not explicitly identify a clear aerosol signal. Untangling the pure aerosol effect from other confounding factors (e.g., the local meteorology) is therefore left as an outlook for subsequent studies.Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen stellen eine große Unsicherheit in der Quantifizierung des anthropogenen Klimawandels dar. Die sekundären Anpassungen von Wolken an eine Veränderung atmosphärischer Aerosolkonzentrationen betreffen beispielsweise denWolken-Bedeckungsgrad und sind besonders komplex. Wolkenanpassungen können sich in der Veränderung der Wolkengrößen-Verteilung widerspiegeln. Wir präsentieren eine Methode, um mittels Beobachtungen der Wolkengrößen- Verteilung zeitliche Veränderungen in Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen nachzuweisen. Wolkengrößen-Verteilung und Wolkenbedeckungsgrad wurden mittels hochauflösender Satellitendaten der Landsat-Serie berechnet. Das Ziel ist es, langjährige Trends im Wolkenbedeckungsgrad über Europa im Zeitraum 1985–2018 herzuleiten und ggf. den Einfluss stark rückläufiger Aerosolkonzentrationen während dieser Zeit zu identifizieren. Landsat-Daten haben eine räumliche Auflösung von bis zu 30 Metern. Um die damit verbundenen großen Datenmengen prozessieren zu können, nutzen wir dieWeb-basierte Plattform Google Earth Engine. Unsere langjährigen Trends zeigen eine großskaligen Zunahme im Wolkenbedeckungsgrad zwischen 1985 und 2018. Dies ist zurückzuführen auf einen relativen Rückgang in der Anzahl kleinerer Wolken (einige 10 bis 100 Meter Länge), während größere Wolken (mehrere Kilometer),welche mehr zum Bedeckungsgrad beitragen, häufiger wurden. Dies zeigt sich im negativen Trend des Power-Law-Exponenten der Wolkengrößen- Verteilung, welcher die relative Anzahl kleiner und großer Wolken beschreibt. Auch wenn sich diese Beobachtungen als signifikante Trends herausstellen, identifizieren wir darin kein klares Aerosol-Signal. Die Isolierung des puren Aerosoleffekts von anderen beeinflussenden Faktoren, wie der lokalen Meteorologie, bietet einen Ansatzpunkt für aufbauende Studien

A story of dust and ice: Constraining dust-driven immersion freezing in climate models using spaceborne retrievals

Clouds and aerosols impact the Earth’s thermostat and precipitation. There is increasing evi- dence that dust aerosol frequently controls cloud glaciation, modifying clouds’ radiative eect and response to global warming. For realistic climate change projections, it is crucial to improve the simulated pathway between dust immersion freezing and cloud glaciation. However, current freezing schemes, which extrapolate laboratory results to larger atmospheric scales, are poorly constrained. Based on spaceborne observations of cloud-phase and aerosols, we explore whether dust-driven immersion freezing can be improved in a climate model so that the climate impact of dust ice-nuclei can be estimated more accurately. Combining an aerosol model reanalysis with spaceborne retrievals of cloud phase, we estimated the global co-variability between mineral dust aerosol and cloud glaciation. Relying on a spaceborne lidar, a lidar-radar synergy, and a radiometer-polarimeter synergy, we also locate and quantify the hemispheric and seasonal con- trast in cloud-phase. Finally, we use these estimations to refine the dust-driven droplet freezing in a climate model. Our results show that observations of cloud-top phase contrasts may be used to evaluate dust-driven droplet freezing in climate models. In the extratropics, the average frequency of ice cloud increases by +5% to +10% for higher mineral dust mixing-ratios on a day-to-day basis. For similar mixing-ratios of mineral dust, we found that the ice frequency can still vary between latitudes, especially between Hemispheres and between mid- and high-latitudes. By using only retrievals for which satellite products agree on cloud-phase, we find that the cloud-phase transition from liquid to ice occurs within a narrower temperature range. This suggests that individual products tend to classify too many clouds as liquid for temperatures below -30°C and too many as ice for temperatures above -10°C. At -30°C, the hemispheric and seasonal contrasts — relative to the Southern Hemisphere and boreal spring, respectively — lie between +21% to +39% for individual cloud- phase products and between +52% to +75% for a combination of products. We use these contrasts to tune the dust ice-nuclei eciency in the model, limiting their eect during clean conditions. Consequently, the model agrees better with the estimated cloud-top-phase contrasts and a dust-driven glaciation eect of 0.14 ± 0.13 W m^2 in the Northern Hemisphere, which is lower than previously assumed. These changes are associated with a decrease in the cloud liquid water path and a weak enhancement of the stratiform precipitation at the expense of convective precipitation. Our results show that observations of cloud-top phase contrasts may be used as a constraint for dust-driven droplet freezing in climate models. Thus, our constraining approach may help to achieve more accurate climate predictions and direct future climate model development.Wolken und Aerosole beeinflussen den Energiehaushalt und den Wasserkreislauf der Erde. Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass Staubaerosol die Vereisung von Wolken, ihren Strahlungsef- fekt und ihre Antwort auf die globale Erwärmung beeinflusst. Um den Klimawandel genauer zu projizieren, ist es daher wichtig, den Weg von staubinduzierten Gefrierprozessen zur Vereisung der Wolken besser zu simulieren. Gegenwärtige Gefrierschemen, die von Laborergebnissen auf gröbere atmosphärische Skalen extrapolieren, sind jedoch limitiert in ihrer Anwendbarkeit. Basierend auf Satelliten-Beobachtungen von Wolkenphasen und Aerosolen wird in dieser Ar- beit untersucht, wie das staubbedingte Gefrieren in Klimamodellen verbessert werden kann, um Klimaeekte von Staubeiskeimen genauer abschätzen zu können. Zu diesem Zweck wer- den Reanalyse-Daten eines Aerosolmodells mit dem Satelliten-Beobachtungen von Wolkenphase kombiniert und die globale Kovariabilität zwischen Mineralstaubaerosol und Wolkenvereisung abgeschätzt. Basierend auf einem weltraumgestützten Lidar, einer Lidar-Radar Kombination und einer Radiometer-Polarimeter Kombination werden hemisphärische und saisonalen Kon- traste in der Wolkenphase lokalisiert und quantifiziert. Schließlich werden diese Schätzungen verwendet, um den Einfluss des Mineralstaubes auf das Gefrieren von Wolkentröpfchen in einem Klimamodell einzugrenzen. Die vorgelegten Ergebnisse zeigen, dass Beobachtungen des Kon- trastes in der Wolkenphase dafür verwendet werden können, das staubgetriebene Gefrieren von Wolkentröpfchen in Klimamodellen zu optimieren. In den Extratropen steigt die durchschnittliche Häufigkeit von Eiswolken für höhere Mineralstaub- Mischungsverhältnisse um +5% bis +10%. Bei ähnlichen Mischungsverhältnissen von Min- eralstaub kann die Häufigkeit von Eiswolken für verschiedene Breiten immer noch variieren. Einzelne Wolkenphasen-Produkte neigen dazu, zu viele Wolken als flüssig für Temperaturen unter -30°C und zu viele als Eis für Temperaturen über 10°C zu klassifizieren. Bei -30°C liegen die hemisphärischen und die saisonalen Kontraste — relativ zur südlichen Hemisphäre bzw. zum borealen Frühjahr — zwischen +21% und +39% für einzelne Produkte in der Wolken- phase und zwischen +52% und +75% für eine Kombination der Produkte. Diese Kontraste wurden verwendet, um die Ezienz der Staubeiskeime im Modell zu optimieren. Nach er- folgter Optimierung stimmt das Modell besser mit den aus Beobachtungen der geschätzten Kontraste in der Wolkenphase überein und zeigt einen staubbedingten nordhemisphärischen Netto-Strahlungseekt von 0.14 ± 0.13 W m^2 durch die Vereisung, der niedriger ist als bisher angenommen. Diese Änderungen sind mit einer Abnahme der Gesamtwassermenge in den Wolken und einer Verstärkung des stratiformen Niederschlags auf Kosten des konvektiven Niederschlags verbunden

Validation of clouds in the ECHAM4 model using a dynamical adjustment technique

Clouds are an important regulator of the Earth's radiation budget and represent a major link between radiation and the hydrological cycle. In contrast to the "standard" method of compar- ing the model results with long-term climatologies, a different approach to validate clouds and cloud systems in ECHAM4 T106 is used by investigating the representation of synoptic-scale cloud systems. The aim is to explore whether the realistically reproduced mean cloud amounts are the result of a realistic representation of clouds in a higher temporal resolution. To enable a validation against observations, a dynamical adjustment approach based on the so-called New- tonian relaxation technique (nudging) is used, which relaxes the model state towards reanalysis data by adding a non-physical relaxation term to the model equations. In the simulations vor- ticity, divergence, temperature and the logarithm of surface pressure are adjusted to ECMWF reanalysis fields. The strength of the forcing is controlled by an adjustment time scale which is different for each adjusted variable. The development of an extraordinary strong cyclone along the East Coast of the U.S.A. and a North Atlantic blocking situation are chosen as case studies. The synoptic systems have been selected to cover a large range of typical phenomena. A third situation, namely tropical convection in the'r¡¡estern Pacific warm pool region, has been excluded from the cloud validation, since the Newtonian relaxation cannot force the model to the observed state for single convective events. Compared to observations, the synoptic-scale features are well reproduced by the model. This is true even for variables which are not adjusted to the observed state. The general features of the horizontal and vertical cloud distribution are well reproduced for both synoptic systems. Nevertheless, systematic differences occur. The model underestimates clouds in low and middle levels of the troposphere and therefore total cloud amounts. Low-level clouds are most obviously underestimated in the blocking situation and behind the cold front of the developing cyclone, while the underestimation of mid-level cloudiness seems to be a more general feature which appears in both cases. On the other hand, thin upper-level cirrus anvils in pre-frontal regions seem to be overestimated. For the blocking situation, in addition, the horizontal distribution of clouds is different compared to ISCCP observations. Sensitivity studies are carried out to confirm the findings of the cloud validation in order to study the effects of changes in the description of clouds and other processes, which will be included into the upcoming model version ECHAMS. Such experiments are an AMIP2 simulation, a more sophisticated stratiform cloud scheme PCI, developed by Lohmann and Roeckner (1996a), and the new advection scheme SPITFIRE (Rasch and Lawrence, 1997). With an experiment using a changed profile of the "critical relative humidity", the effect of small changes on the representation of clouds is investigated. All experiments lead to larger cloud amounts in the lower troposphere and a slight increase in mid-level cloud amounts. Small changes occur in the upper troposphere, except for the PCI scheme, which clearly reduces the upper-level cloudiness. Encouraging is that the changed condensation profile in the experiment RHCRIT, which is only a small modification compared to the other experiments, clearly improves the representation of clouds in the blocking situation and even slightly improves the cloud distribution in the extra- tropical cyclone. In short, the modified profile of the critical relative humidity and the more sophisticated stratiform cloud scheme PCI lead to considerable improvements in the blocking sit- uation, while the representation of frontal cloudiness in the East Coast storm is mainly improved by AMIP2 and SPITFIRE.Wolken beeinflussen stark den Strahlunghaushalt der Erde und stellen eine wichtige Verbindung zwischen der Strahlung und dem Hydrologischen Zyklus dar. Im Gegensatz ztsr "Standard- Methode" der Validierung eines Klimamodelles, bei der die Modellergebnisse mit langjährigen Klimatologien verglichen werden, wurde ein anderer Weg gewählt. Hier wurde die Darstellung einzelner synoptischer Systeme in einer höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung unter- sucht. Eines der Ziele war es, herauszufinden, ob der im Mittel realistisch wiedergegebene Be- deckungsgrad das Ergebnis der realistischen Darstellung von Wolken in einer höheren zeitlichen Auflösung ist - oder anders gesagt, ob das realistisch dargestellte Klima die Ursache eines rea- listisch wiedergegebenen Wetters ist. Um eine Validierung dieser Systeme gegenüber Beobachtungen zu ermöglichen, wurde eine dynamische Anpassung basierend auf der sogenannten "Newton'schen Relaxations Technik" ("nudging") benutzt. Diese passt die Modellgleichungen (Modell-Dynamik) durch das Addieren eines "nicht-physikalischen" Anpassungsterms der Reanalyse des Europäische Zentrums für mit- telfristige Wettervorhersage (EZMW) an. In den hier durchgeführten Simulationen wurden Vor- ticity, Divergenz und Temperatur aller Schichten der Modellatmosphäre sowie der Logarithmus des Bodendrucks angepasst. Die Stärke der Anpassung wird dabei durch eine für jede Variable unterschiedliche Anpassungszeit bestimmt. Außerdem geht die Meeresoberflächen-Temperatur als untere Randbedingung ein. Die Entwicklung eines außergewöhnlich starken außertropischen Tiefdruckgebietes entlang der Ostküste der USA und ein blockierendes Hochdruckgebiet über dem Nordatlantik wurden als Fallstudien verwendet. Die beiden Systeme wurden ausgesucht, um einen möglichst großen Bereich von synoptischen Systemen zu erfassen. Eine dritte Situation, tropische Konvektion über den Warmwassergebieten des westlichen Pazifiks, wurde in der Validierung von Wolken nicht berücksichtigt, da die Anpassungsmethode das Modell für einzelne konvektive Ereignisse nicht auf die Beobachtung zwingen kann. Für die Vergleiche wurden Beobachtungen aus verschiedenen Quellen herangezogen. Die synop- tischen Merkmale wurden mit den tatsächlichen Beobachtungen aus anderen Veröffentlichungen verglichen, während für die Validierung der Wolken Sattelitenbeobachtungen (ISCCP) verwendet wurden. Im Vergleich zu den Beobachtungen werden die synoptischen Merkmale vom Modell sehr gut wiedergegeben. Das gilt auch für die Variablen, die nicht direkt angepasst werden. Die allgemeinen Merkmale der horizontalen und vertikalen \Molkenverteilung werden ebenfalls für beide synoptischen Systeme realistisch wiedergegeben. Dennoch treten Unterschiede zu den Beobachtungen auf. Das Modell unterschätzt den Bedeckungsgrad in niedrigen und mittleren Schichten der Tloposphäre und deswegen auch den Gesamtbedeckungsgrad. Wolken in der unteren Tloposphäre werden am deutlichsten im Bereich des blockierenden Hochdruckgebietes und hinter der Kaltfront des sich entwickelnden Tiefdruckgebietes unterschätzt. In mittleren Schichten scheint die unterschiedliche Bewölkung dagegen ein allgemeines Problem zu sein, das durchweg in beiden untersuchten Systemen auftritt. Andererseits werden Cirrus Wolken in der oberen Tboposphäre vor allem in prä-frontalen Bereichen überschätzt. Bei der Blocking-Situation ist auch die grobe Struktur der Wolkenverteilung im Modell anders als bei den Beobachtungen von ISCCP. Weiterhin sind Sensitivitäts-trxperimente durchgeführt worden, um die in der Validierung an- genommenen Ursachen für die Schwächen bei der Darstellung von Wolken zu bestätigen oder zu widerlegen und um die Wirkung anderer Veränderungen in den Parametrisierungen auf die Darstellung von Wolken zu testen, die in die neue Modellversion ECHAMS eingebaut wer- den sollen. Solche Experimente sind z.B. eine AMIP2 Simulation, ein verbessertes stratiformes Wolkenschema, entwickelt von Lohmann and Roeckner (1996a), und das neue Advektionsschema SPITFIRE (Rasch and Lawrence, 1997).Außerdem wird mit einem weiteren Experiment (RHCRIT), in dem ein verändertes Vertikal- profil der "kritischen relativen Feuchte" verwendet wurde, stellvertretend der Einfluß kleiner Veränderungen untersucht, die zu einer verbesserten Darstellung von Wolken führen könnten. Alle Experimente führen zu einer stärkeren Bewölkung in der unteren TYoposphäre und einem leicht verstärkten Bedeckunggrad in mittleren Schichten. Geringere Unterschiede treten dage- gen in der oberen Tloposphäre auf, abgesehen von der PCl-Simulation, die die Bewölkung in der oberen Tïoposphäre deutlich reduziert. Interessant ist, daß es durch die, im Vergleich zu den anderen Experimenten, geringe Modifikation im RHCRIT Experiment zu einer deutlichen Verbesserung der Darstellung von Wolken im Bereiche des blockierenden Hochdruckgebietes kommt und auch die Wolkenverteilung in der außertropischen Zyklone verbessert wird. Während das PCI und das RHCRIT Experiment vor allem zu einer verbesserten Darstellung des block- ierenden Hochdruckgebietes führen, wird die Darstellung des außertropischen Tiefdruckgebietes am deutlichsten von AMIP2 und SPITFIRE verbessert

On the influence of the geostrophic wind direction on the atmospheric response to landuse changes

Simulations alternatively assuming a landscape with and without urbanization plus open-cast mining were performed with a non-hydrostatic model. lt is examined whether the atmospheric response to landuse changes is sensitive to the direction of the geostrophic wind. The results of simulations with the same geostrophic wind direction show that except for the cloud and precipitating particles the daily domain-averages of the variables of state hardly differ for the different landscapes. Nevertheless, the local weather may be affected appreciably over and downwind of the altered surfaces. The significant differences in the cloud and precipitating particles, however, are not bound to the environs of the landuse changes. Generally, the most significant differences occur for the cloud and precipitation particles, the soil wetness factors and the vertical component of the wind vector. The latter changes strongly influence the cloud and precipitation formation by the interaction cloud microphysics-dynamics. The results also indicate that for most of the quantities the local magnitude of the atmospheric response changes for the various directions of the geostrophic wind. However, the differences of the domain-averaged 24h-accumulated evapotranspiration are similar for all geostrophic wind directions.Um zu untersuchen, ob die atmosphärische Antwort auf Landnutzungsänderungen sensitiv zur Richtung des geostrophischen Windes ist, wurden Simulationen durchgeführt, bei denen alternativ eine Landschaft mit und ohne Urbanisierung plus Tagebauten angenommen wurde. Die Simulationsergebnisse zeigen, daß - außer für Wolken- und Niederschlagspartikel - die täglichen Gebietsmittelwerte der Zustandsvariablen sich kaum für die beiden Landschaften unterscheiden. Trotzdem kann das lokale Wetter merklich über und im Lee der Oberflächen mit veränderter Landnutzung beeinflußt werden. Die signifikanten Differenzen in den Wolken- und Niederschlagspartikeln sind jedoch nicht an die unmittelbare Nähe der Landnutzungsänderungen gebunden. Generell treten die signifikanten Unterschiede bei den Wolkenund Niederschlagspartikeln, der Bodenfeuchte und der Vertikalkomponente des Windvektors auf. Letztere beeinflussen stark die Wolken- und Niederschlagsbildung durch die Wechselwirkung Wolkenmikrophysik-Dynamik. Die Ergebnisse zeigen außerdem, daß lokal der Grad der atmosphärischen Reaktion für die meisten Größen bei unterschiedlicher Richtung des geostrophischen Windes anders ausfällt. Die Differenzen der Gebietsmittelwerte der 24h-akkumulierten Evapotranspiration gleichen sich jedoch für alle Richtungen des geostrophischen Windes

Cloud geometry for passive remote sensing

An important cause for disagreements between current climate models is lack of understanding of cloud processes. In order to test and improve the assumptions of such models, detailed and large scale observations of clouds are necessary. Passive remote sensing methods are well-established to obtain cloud properties over a large observation area in a short period of time. In case of the visible to near infrared part of the electromagnetic spectrum, a quick measurement process is achieved by using the sun as high-intensity light source to illuminate a cloud scene and by taking simultaneous measurements on all pixels of an imaging sensor. As the sun as light source can not be controlled, it is not possible to measure the time light travels from source to cloud to sensor, which is how active remote sensing determines distance information. But active light sources do not provide enough radiant energy to illuminate a large scene, which would be required to observe it in an instance. Thus passive imaging remains an important remote sensing method. Distance information and accordingly cloud surface location information is nonetheless crucial information: cloud fraction and cloud optical thickness largely determines the cloud radiative effect and cloud height primarily influences a cloud's influence on the Earth's thermal radiation budget. In combination with ever increasing spatial resolution of passive remote sensing methods, accurate cloud surface location information becomes more important, as the largest source of retrieval uncertainties at this spatial scale, influences of 3D radiative transfer effects, can be reduced using this information. This work shows how the missing location information is derived from passive remote sensing. Using all sensors of the improved hyperspectral and polarization resolving imaging system specMACS, a unified dataset, including classical hyperspectral measurements as well as cloud surface location information and derived properties, is created. This thesis shows how RGB cameras are used to accurately derive cloud surface geometry using stereo techniques, complementing the passive remote sensing of cloud microphysics on board the German High-Altitude Long-Range research aircraft (HALO). Measured surface locations are processed into a connected surface representation, which in turn is used to assign height and location to other passive remote sensing observations. Furthermore, cloud surface orientation and a geometric shadow mask are derived, supplementing microphysical retrieval methods. The final system is able to accurately map visible cloud surfaces while flying above cloud fields. The impact of the new geometry information on microphysical retrieval uncertainty is studied using theoretical radiative transfer simulations and measurements. It is found that in some cases, information about surface orientation allows to improve classical cloud microphysical retrieval methods. Furthermore, surface information helps to identify measurement regions where a good microphysical retrieval quality is expected. By excluding likely biased regions, the overall microphysical retrieval uncertainty can be reduced. Additionally, using the same instrument payload and based on knowledge of the 3D cloud surface, new approaches for the retrieval of cloud droplet radius exploiting measurements of parts of the polarized angular scattering phase function become possible. The necessary setup and improvements of the hyperspectral and polarization resolving measurement system specMACS, which have been developed throughout four airborne field campaigns using the HALO research aircraft are introduced in this thesis.Ein wichtiger Grund für Unterschiede zwischen aktuellen Klimamodellen sind nicht ausreichend verstandene Wolkenprozesse. Um die zugrundeliegenden Annahmen dieser Modelle zu testen und zu verbessern ist es notwendig detaillierte und großskalige Beobachtungen von Wolken durch zu führen. Methoden der passiven Fernerkundung haben sich für die schnelle Erfassung von Wolkeneigenschaften in einem großen Beobachtungsgebiet etabliert. Für den sichtbaren bis nahinfraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums kann eine schnelle Messung erreicht werden, in dem die Sonne als starke Lichtquelle genutzt wird und die Wolkenszene durch simultane Messung über alle Pixel eines Bildsensors erfasst wird. Da die Sonne als Lichtquelle nicht gesteuert werden kann, ist es nicht möglich die Zeit zu messen die von einem Lichtstrahl für den Weg von der Quelle zur Wolke und zum Sensor benötigt wird, so wie es bei aktiven Verfahren zur Distanzbestimmung üblich ist. Allerdings können aktive Lichtquellen nicht genügend Energie bereitstellen um eine große Szene gut genug zu beleuchten um diese Szene in einem kurzen Augenblick vollständig zu erfassen. Aus diesem Grund werden passive bildgebende Verfahren weiterhin eine wichtige Methode zur Fernerkundung bleiben. Trotzdem ist der Abstand zur beobachteten Wolke und damit der Ort der Wolke eine entscheidende Information: Wolkenbedeckungsgrad und die optische Dicke einer Wolke bestimmen einen Großteil des Strahlungseffektes von Wolken und die Höhe der Wolken ist der Haupteinflussfaktor von Wolken auf die thermische Strahlungsbilanz der Erde. Einhergehend mit der weiterhin zunehmenden Auflösung von passiven Fernerkundungsmethoden werden genaue Informationen über den Ort von Wolkenoberflächen immer wichtiger. Dreidimensionale Strahlungstransporteffekte werden auf kleineren räumlichen Skalen zum dominierenden Faktor für Fehler in Messverfahren für Wolkenmikrophysik. Dieser Einfluss auf die Messverfahren kann durch die Nutzung von Informationen über die Lage der Wolken reduziert und die Ergebnisse somit verbessert werden. Diese Arbeit zeigt, wie die fehlenden Ortsinformationen aus passiven Fernerkundungsmethoden gewonnen werden können. Damit kann ein vereinheitlichter Datensatz aller Sensoren des verbesserten specMACS-Systems für hyperspektrale und polarisationsaufgelöste Bilderfassung erstellt werden, in dem außer den gemessenen Strahlungsdichten auch die Positionen der beobachteten Wolkenoberflächen und daraus abgeleitete Größen enthalten sind. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie RGB-Kameras genutzt werden, um mit Hilfe stereographischer Techniken die Geometrie der beobachteten Wolken ab zu leiten und so die Möglichkeiten zur passiven Fernerkundung auf dem Forschungsflugzeug HALO zu erweitern. Aus den so gemessenen Positionen der Wolkenoberflächen wird eine geschlossene Darstellung der Wolkenoberflächen berechnet. Dies ermöglicht es die Daten aus anderen passiven Fernerkundungsmethoden um Höhe und Ort der Messung zu erweitern. Außerdem ist es so möglich die Orientierung der Wolkenoberflächen und eine Schattenmaske auf Grund der nun bekannten Beobachtungsgeometrie zu berechnen. Das fertige System ist in der Lage, die sichtbaren Wolkenoberflächen aus Daten von einem Überflug zu rekonstruieren. Mit Hilfe theoretischer Strahlungstransportsimulationen und Messungen wird der Einfluss der neu gewonnenen Informationen auf bestehende Rekonstruktionsmethoden für Wolkenmikrophysik untersucht. In manchen Fällen helfen die neu gewonnenen Informationen direkt die Ergebnisse dieser Methoden zu verbessern und in jedem Fall ermöglichen es die Positionsdaten Bereiche zu identifizieren für die bekannt ist, dass bisherige Rekonstruktionsmethoden nicht funktionieren. Durch Ausschluss solcher Bereiche wird der Gesamtfehler von Mirkophysikrekonstruktionen weiterhin reduziert. Das aktuelle specMACS System ermöglicht auch polarisationsaufgelöste Messungen, wodurch eine sehr genaue Bestimmung der Wolkentropfengrößen möglich wird. Die nun verfügbaren Positionsdaten der Wolkenoberflächen helfen die Genauigkeit dieses Verfahrens deutlich zu verbessern. Die notwendigen Auf- und Umbauten des hyperspektralen und polarisationsauflösenden Messsystems specMACS, die während vier Flugzeuggestützer Messkampagnen auf dem Forschungsflugzeug HALO entwickelt wurden sind in dieser Arbeit beschrieben

Historical warming and climate sensitivity

In this dissertation, we study the climate sensitivity of the Earth. The climate sensitivity quantifies the response of the Earth system to radiative forcing, in particular, the radiative forcing induced by humans. We use both complex climate modelling and observations from the historical record for this endeavour. We analyse these data sources from the perspective of a conceptual framework based on the Earth’s energy budget. The foci of our study are on two wide topics. The first topic estimates how sensitive the Earth’s climate is to carbon dioxide using the historical warming. We use two quantities to measure the sensitivity: the transient climate response (TCR) and the long-term equilibrium climate sensitivity (ECS). Past studies analysed the historical observations of warming and forcing in the light of the Earth’s energy budget to estimate TCR and ECS. We ascertain that some of these calculations underestimate TCR and ECS. First, we analyse the disadvantages of past observational estimates concerning the uncertainties in the anthropogenic radiative forcing. Based on this analysis, we select the post-1970s period. Then we link the modelled warming in this period in complex climate models with the corresponding modelled TCR and ECS. This relationship between warming and sensitivity, and the observed post-1970s warming allow us to estimate TCR and ECS. Our TCR estimate is higher than the past estimates, and we find that this difference can be explained by past studies assuming that the ocean mixed-layer is equilibrated. Our ECS estimate is also higher than some past estimates and is in line with other studies that accounted for the effects of an evolving sea-surface temperature pattern. The evolving sea surface temperature pattern changes the feedback mechanisms on the warming and temporarily counteract the radiative forcing. The second topic explores the role of clouds in this temporary dampening of the transient global warming. We find that the cloud feedback not only acts directly with the sea surface temperature patterns that arise when the climate system is out of equilibrium, but clouds also affect other relevant feedback mechanisms. Past studies found that the evolving sea surface temperature pattern changes the radiative response between decadal and centennial timescales. A proposed mechanism connects clouds with the evolving pattern. They also show in observations the relationship between the decadal cloud variations and the corresponding variations in the radiative response of the Earth. Assisted by a complex climate model, we find that not only clouds link the evolving pattern with the radiative response, but also that they influence the remaining relevant mechanisms. To unravel the role of clouds, we use a cloud-locking technique which inhibits cloud feedback. We find that: a) clouds explain almost half of the difference in the radiative response between decadal and centennial timescales, and b) a synergy between cloud processes, lapse-rate and water-vapour feedback provides the tropical free-tropospheric warming that the proposed physical mechanism needs.In dieser Dissertation untersuchen wir die Klimasensitivität der Erde. Die Klimasensitivität misst die Reaktion des Erdsystems auf den Strahlungsantrieb unter besonderer Berücksichtigung des anthropogenen Strahlungantriebes. Dazu verwenden wir sowohl komplexe Klimamodelle, als auch historische Beobachtungen. Wir analysieren beide Datenquellen im physikalisch-konzeptuellen Rahmen des Wärmehaushaltes der Erde. Die Schwerpunkte unserer Untersuchung liegen auf zwei großen Themengebieten. Das erste Thema schätzt basierend auf der historischen Erwärmung ab wie sensibel das Klima der Erde auf Kohlendioxyd reagiert. Wir verwenden zwei Maße, um die Sensitivität zu messen: die kurzfristige emph{Transient Climate Response} (TCR) und die langfristige emph{Equilibrium Climate Sensitivity} (ECS). Vorherige Untersuchungen analysieren historische Beobachtungen der Erwärmung und des Strahlungsantriebes mit dem Wärmehaushalt der Erde, um die TCR und die ECS zu berechnen. Wir stellen fest, dass einige dieser früheren Berechnungen die TCR und die ECS unterschätzen. In dieser Dissertation analysieren wir zuerst die Nachteile dieser früheren Schätzungen in Bezug auf die Messunsicherheit des anthropogenen Strahlungsantriebs. Aufgrund der niedriegeren Messunsicherheit des anthropogenen Aerosolstrahlungsantriebes wählen wir für unsere Analyse den Zeitraum ab den 1970-iger Jahren aus. Dann verbinden wir die modellierte Erwärmung in diesem Zeitraum mit den entsprechenden modellierten TCRs und ECSs. Die ermittelte Beziehung zwischen Erwärmung und Sensitivität und die tatsächliche Erwärmung seit den 1970-iger Jahren macht eine neue Schätzungen der tatsächliche TCR und ECS möglich. Unsere Schätzung der TCR ist höher als die früheren Schätzungen. Wir stellen fest, dass der Unterschied auf eine Annahme vorheriger Schätzungen zurückführbar ist: Bezüglich des Wärmeaustausches ist der gutgemischte Ozean stationär. Unsere Schätzung der ECS ist ebenfalls höher als diejenigen einiger vorheriger Schätzungen. Unsere Schätzung stimmt mit anderen Schätzungen, die die Effekte eines sich entwickelnden Musters der Meeresoberlfächnetemperatur berücksichtigen, überein. Dieses Muster verändert die Rückkopplungsmechanismen und wirkt dem Strahlungsantrieb vorläufig entgegen. Das zweite Thema handelt von der Rolle der Wolken in dieser vorläufigen Dämpfung der transienten globalen Erwärmung. Wir entdecken, dass die Wolkenrückkopplung nicht nur eine direkte Wirkung hat, sondern auch, dass die Wolken andere relevante Rückkopplungen beeinflussen. Vorherige Untersuchungen stellten fest, dass das sich entwickelnde Muster der Meeresoberflächentemperatur die Strahlungsreaktion zwischen zehn- und hundertjährigen Zeitskalen verändert. Ein möglicher physikalischer Mechanismus, der die Wolken mit dem sich entwickelnden Muster verknüpft, wurde vorgeschlagen. Die Beziehung zwischen den zehnjährigen Schwankungen der Wolken und den entsprechenden Änderungen in der Strahlungsreaktion der Erde konnte bereits durch Beobachtungen verifiziert werden. Mit Hilfe eines komplexen Kimamodells finden wir, dass nicht nur die Wolken das sich entwickelnde Muster mit der Strahlungsreaktion verknüpfen, sondern auch, dass die Wolke die übrigen relevanten Mechanismen beeinflussen. Um die Rolle der Wolken zu untersuchen, verwenden wir eine ''cloud-locking'' Technik, die die Wolkenrückkopplung unterbindet. Unser Resultat ist: a) die Wolken erklären fast die Hälfte der Änderung der Strahlungsreaktion zwischen zehn- und hundertjährigen Zeitskalen und b) eine Synergie zwischen Wolkenprozessen, die Temperatur-Gradient- und die Wasserdampfrückkopplung liefert die tropische frei-troposphärische Erwärmung, die der vorgeschlagene physikalische Mechanismus benötigt

Arctic low-level mixed-phase clouds and their complex interactions with aerosol and radiation: Remote sensing of the Arctic troposphere with the shipborne supersite OCEANET-Atmosphere

In the course of this thesis, Arctic low-level mixed-phase clouds and their interaction with aerosol and radiation have been investigated. To do so, measurements with the shipborne remote sensing supersite OCEANET-Atmosphere were conducted during the PS106 expedition in the Arctic summer 2017. OCEANET-Atmosphere comprises among other instruments a multiwavelength polarization lidar PollyXT and a microwave radiometer HATPRO. For PS106 the OCEANET-Atmosphere facility was complemented for the first time with a motion-stabilized vertically pointing Doppler cloud radar Mira-35. The cloud radar Doppler velocity was corrected for the ship’s vertical movement. The stabilization and the correction enabled, e.g., the derivation of eddy dissipation rates from the Doppler velocities. A data set of cloud microphysical and macrophysical properties was derived by applying the synergistic Cloudnet algorithm to the combined measurements of cloud radar, lidar, and microwave radiometer. Within this thesis, the set of the Cloudnet retrievals was improved to account for the complex structure of the Arctic cloud system. A new detection approach for the frequently observed low-level stratus clouds was developed based on the lidar signal-to-noise ratio. These clouds, which were below the lowest range gate of the cloud radar were observed during 50 % of the observational time. A new approach for the continuous determination of the ice crystal effective radius was introduced. This new retrieval made the data set suitable to perform high-resolved radiative transfer simulations. The retrieved data set was utilized to derive the first temperature relationship for heterogeneous ice formation in Arctic mixed-phase clouds. A strong dependence of the surface coupling state for high subzero ice-formation temperatures was found. For an ice-formation temperature above -15 °C, surface-coupled ice-containing clouds occur more frequently by a factor of 5 in numbers of observed clouds and by a factor of 2 in frequency of occurrence. Possible causes of the observed effect were discussed by sensitivity studies and a literature survey. Instrumental and methodological effects, and previously published similar observations of an increased ice occurrence at such high subzero temperatures have been ruled out as a possible explanation. The most likely cause of the observed effect was attributed to a larger reservoir of biogenic ice-nucleating particles in the surface-coupled marine boundary layer. This larger reservoir led to a higher freezing efficiency in these clouds which had at least their base in that layer. Finally, the importance of the detailed classification of the low-level clouds was highlighted by the evaluation of radiative transfer simulations. A difference in the cloud radiative effect of up to 100 W m-2 was calculated when these clouds were considered.:1 Introduction 2 Arctic — Amplified climate change 2.1 The Arctic climate system 2.2 Cloud radiation budget 2.3 Arctic mixed-phase clouds 2.4 Heterogeneous ice formation in Arctic mixed-phase clouds — constraints and previous findings 2.5 Motivating research questions 3 Data set — Applied instrumentation, processing, and retrievals 3.1 Introduction to ground-based active remote sensing of aerosol and clouds 3.1.1 Lidar principle 3.1.2 Radio Detection and Ranging — Radar 3.2 The Arctic expedition PS106 3.3 Instrumentation 3.3.1 The OCEANET-Atmosphere observatory 3.3.2 Other instruments used in this study 3.4 Data processing and synergistic retrievals 3.4.1 Correction of vertical-stare cloud radar observations for ship motion 3.4.2 Retrieval of eddy dissipation rate from Doppler radar spectra 3.4.3 Cloud macro- and microphysical properties from instrument-synergies 3.5 Summary of the data processing for PS106 4 Cloud and aerosol observations during PS106 4.1 Meteorological conditions during PS106 4.2 Case studies 4.3 Cloud and aerosol statistics during PS106 4.4 Discussion of the observational data sets 5 Contrasting surface-coupling effects on heterogeneous ice formation 5.1 Methodology 5.1.1 Ice-containing cloud analysis 5.1.2 Surface-coupling state 5.2 Results: influence of surface coupling on heterogeneous ice formation temperature 5.3 Discussion of the observed surface-coupling effects 5.3.1 Methodological and instrumental effects 5.3.2 Possible causes for increased ice occurrence in surface-coupled clouds 6 Application of the data set in collaborative studies and radiative transfer simulations within (AC)3 6.1 Radiative transfer simulations and cloud radiative effect 6.2 LLS treatment for improved radiative transfer simulations 6.3 Discussion 7 Summary and outlook Appendices A Determination of a volume depolarization threshold forlidar-based ice detection BibliographyIm Rahmen dieser Arbeit wurden niedrige arktische Mischphasenwolken und ihre Wechselwirkung mit Aerosolen und Strahlung untersucht. Dazu wurden Messungen mit der schiffsgestützten Fernerkundungs-Supersite OCEANET-Atmosphere während der PS106-Expedition im arktischen Sommer 2017 durchgeführt. OCEANET-Atmosphere vereint, u.a., ein Multiwellenlängen-Polarisations-Lidar PollyXT und ein Mikrowellen-Radiometer HATPRO. Für PS106 wurde OCEANET-Atmosphere erstmalig um ein stabilisiertes, vertikal ausgerichtetes Doppler-Wolkenradar Mira-35 erweitert. Die Doppler-Geschwindigkeit wurde in Bezug auf die Vertikalbewegung des Schiffes korrigiert. Dank Stabilisierung und Korrektur war, z.B., die Ableitung von Wirbeldissipationsraten aus den Doppler-Geschwindigkeiten möglich. Unter Anwendung des synergetischen Cloudnet-Algorithmus wurde aus den kombinierten Wolkenradar, Lidar und Mikrowellenradiometer Messungen ein Datensatz der mikro- und makrophysikalischen Wolkeneigenschaften für PS106 erstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde Cloudnet verbessert, um der komplexen Struktur der arktischen Wolken Rechnung zu tragen. Ein neuer Ansatz zur Erkennung der häufig beobachteten niedrigen Stratuswolken wurde entwickelt, basierend auf dem Lidar-Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Diese Wolken, die unterhalb des untersten Höhenlevels des Wolkenradars auftraten, wurden während 50% der Beobachtungszeit identifiziert. Ein neuer Ansatz für die kontinuierliche Bestimmung des effektiven Radius der Eiskristalle wurde eingeführt. Dank dieser neuen Methode eignet sich der erstellte Datensatz für die Durchführung von Strahlungstransfersimulationen. Zum ersten Mal wurde eine Temperaturbeziehung für heterogene Eisbildung in arktischen Mischphasenwolken in Abhängigkeit ihres Oberflächen-Kopplungsstatus abgeleitet. Bei Temperaturen über -15°C war die relative Häufigkeit von Eis beinhaltenden Wolken doppelt so hoch und die Anzahl fünf Mal höher wenn sie mxit der Oberfläche gekoppelt waren, als bei entkoppelte Wolken. Mögliche Ursachen für den beobachteten Effekt wurden anhand von Sensitivitätsstudien und einer Literaturanalyse diskutiert. Instrumentelle und methodische Effekte sowie früher veröffentlichte ähnliche Beobachtungen konnten als mögliche Erklärung ausgeschlossen werden. Die wahrscheinlichste Ursache für den beobachteten Effekt wurde auf ein größeres Reservoir an biogenen Eiskristallisationskeimen in der oberflächengekoppelten marinen Grenzschicht zurückgeführt. Dieses größere Reservoir hat zu einer höheren Gefriereffizienz in Wolken geführt, die zumindest ihre Basis in dieser Schicht hatten. Die Bedeutung der detaillierten Klassifizierung von tiefliegenden Wolken auf Strahlungstransfersimulationen wurde hervorgehoben. Der simulierte Effekt der Wolken auf den Strahlungshaushalt unterschied sich bis zu 100 W m-2, unter Berücksichtigung dieser Wolken.:1 Introduction 2 Arctic — Amplified climate change 2.1 The Arctic climate system 2.2 Cloud radiation budget 2.3 Arctic mixed-phase clouds 2.4 Heterogeneous ice formation in Arctic mixed-phase clouds — constraints and previous findings 2.5 Motivating research questions 3 Data set — Applied instrumentation, processing, and retrievals 3.1 Introduction to ground-based active remote sensing of aerosol and clouds 3.1.1 Lidar principle 3.1.2 Radio Detection and Ranging — Radar 3.2 The Arctic expedition PS106 3.3 Instrumentation 3.3.1 The OCEANET-Atmosphere observatory 3.3.2 Other instruments used in this study 3.4 Data processing and synergistic retrievals 3.4.1 Correction of vertical-stare cloud radar observations for ship motion 3.4.2 Retrieval of eddy dissipation rate from Doppler radar spectra 3.4.3 Cloud macro- and microphysical properties from instrument-synergies 3.5 Summary of the data processing for PS106 4 Cloud and aerosol observations during PS106 4.1 Meteorological conditions during PS106 4.2 Case studies 4.3 Cloud and aerosol statistics during PS106 4.4 Discussion of the observational data sets 5 Contrasting surface-coupling effects on heterogeneous ice formation 5.1 Methodology 5.1.1 Ice-containing cloud analysis 5.1.2 Surface-coupling state 5.2 Results: influence of surface coupling on heterogeneous ice formation temperature 5.3 Discussion of the observed surface-coupling effects 5.3.1 Methodological and instrumental effects 5.3.2 Possible causes for increased ice occurrence in surface-coupled clouds 6 Application of the data set in collaborative studies and radiative transfer simulations within (AC)3 6.1 Radiative transfer simulations and cloud radiative effect 6.2 LLS treatment for improved radiative transfer simulations 6.3 Discussion 7 Summary and outlook Appendices A Determination of a volume depolarization threshold forlidar-based ice detection Bibliograph

Forschungsbericht 2020

Zeitreihen von Monatsmittelwerten des Windes in der Mesosphäre/unteren Thermosphäre über Collm werden auf mögliche Korrelationen mit der Nordatlantischen Oszillation (NAO) und der Südlichen Oszillation (SO) hin untersucht. Während eine positive Korrelation bis in die 1990er Jahre existiert, schwächt sich diese in der Folge ab und kehrt sich teilweise um. Da NAO und SO gekoppelt sind, erfolgen diese Änderungen etwa zur selben Zeit. Die Änderung der Kopplung steht wahrscheinlich in Verbindung mit einer generellen Änderung der Dynamik der mittleren Atmosphäre

Cloud geometry for passive remote sensing

An important cause for disagreements between current climate models is lack of understanding of cloud processes. In order to test and improve the assumptions of such models, detailed and large scale observations of clouds are necessary. Passive remote sensing methods are well-established to obtain cloud properties over a large observation area in a short period of time. In case of the visible to near infrared part of the electromagnetic spectrum, a quick measurement process is achieved by using the sun as high-intensity light source to illuminate a cloud scene and by taking simultaneous measurements on all pixels of an imaging sensor. As the sun as light source can not be controlled, it is not possible to measure the time light travels from source to cloud to sensor, which is how active remote sensing determines distance information. But active light sources do not provide enough radiant energy to illuminate a large scene, which would be required to observe it in an instance. Thus passive imaging remains an important remote sensing method. Distance information and accordingly cloud surface location information is nonetheless crucial information: cloud fraction and cloud optical thickness largely determines the cloud radiative effect and cloud height primarily influences a cloud's influence on the Earth's thermal radiation budget. In combination with ever increasing spatial resolution of passive remote sensing methods, accurate cloud surface location information becomes more important, as the largest source of retrieval uncertainties at this spatial scale, influences of 3D radiative transfer effects, can be reduced using this information. This work shows how the missing location information is derived from passive remote sensing. Using all sensors of the improved hyperspectral and polarization resolving imaging system specMACS, a unified dataset, including classical hyperspectral measurements as well as cloud surface location information and derived properties, is created. This thesis shows how RGB cameras are used to accurately derive cloud surface geometry using stereo techniques, complementing the passive remote sensing of cloud microphysics on board the German High-Altitude Long-Range research aircraft (HALO). Measured surface locations are processed into a connected surface representation, which in turn is used to assign height and location to other passive remote sensing observations. Furthermore, cloud surface orientation and a geometric shadow mask are derived, supplementing microphysical retrieval methods. The final system is able to accurately map visible cloud surfaces while flying above cloud fields. The impact of the new geometry information on microphysical retrieval uncertainty is studied using theoretical radiative transfer simulations and measurements. It is found that in some cases, information about surface orientation allows to improve classical cloud microphysical retrieval methods. Furthermore, surface information helps to identify measurement regions where a good microphysical retrieval quality is expected. By excluding likely biased regions, the overall microphysical retrieval uncertainty can be reduced. Additionally, using the same instrument payload and based on knowledge of the 3D cloud surface, new approaches for the retrieval of cloud droplet radius exploiting measurements of parts of the polarized angular scattering phase function become possible. The necessary setup and improvements of the hyperspectral and polarization resolving measurement system specMACS, which have been developed throughout four airborne field campaigns using the HALO research aircraft are introduced in this thesis.Ein wichtiger Grund für Unterschiede zwischen aktuellen Klimamodellen sind nicht ausreichend verstandene Wolkenprozesse. Um die zugrundeliegenden Annahmen dieser Modelle zu testen und zu verbessern ist es notwendig detaillierte und großskalige Beobachtungen von Wolken durch zu führen. Methoden der passiven Fernerkundung haben sich für die schnelle Erfassung von Wolkeneigenschaften in einem großen Beobachtungsgebiet etabliert. Für den sichtbaren bis nahinfraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums kann eine schnelle Messung erreicht werden, in dem die Sonne als starke Lichtquelle genutzt wird und die Wolkenszene durch simultane Messung über alle Pixel eines Bildsensors erfasst wird. Da die Sonne als Lichtquelle nicht gesteuert werden kann, ist es nicht möglich die Zeit zu messen die von einem Lichtstrahl für den Weg von der Quelle zur Wolke und zum Sensor benötigt wird, so wie es bei aktiven Verfahren zur Distanzbestimmung üblich ist. Allerdings können aktive Lichtquellen nicht genügend Energie bereitstellen um eine große Szene gut genug zu beleuchten um diese Szene in einem kurzen Augenblick vollständig zu erfassen. Aus diesem Grund werden passive bildgebende Verfahren weiterhin eine wichtige Methode zur Fernerkundung bleiben. Trotzdem ist der Abstand zur beobachteten Wolke und damit der Ort der Wolke eine entscheidende Information: Wolkenbedeckungsgrad und die optische Dicke einer Wolke bestimmen einen Großteil des Strahlungseffektes von Wolken und die Höhe der Wolken ist der Haupteinflussfaktor von Wolken auf die thermische Strahlungsbilanz der Erde. Einhergehend mit der weiterhin zunehmenden Auflösung von passiven Fernerkundungsmethoden werden genaue Informationen über den Ort von Wolkenoberflächen immer wichtiger. Dreidimensionale Strahlungstransporteffekte werden auf kleineren räumlichen Skalen zum dominierenden Faktor für Fehler in Messverfahren für Wolkenmikrophysik. Dieser Einfluss auf die Messverfahren kann durch die Nutzung von Informationen über die Lage der Wolken reduziert und die Ergebnisse somit verbessert werden. Diese Arbeit zeigt, wie die fehlenden Ortsinformationen aus passiven Fernerkundungsmethoden gewonnen werden können. Damit kann ein vereinheitlichter Datensatz aller Sensoren des verbesserten specMACS-Systems für hyperspektrale und polarisationsaufgelöste Bilderfassung erstellt werden, in dem außer den gemessenen Strahlungsdichten auch die Positionen der beobachteten Wolkenoberflächen und daraus abgeleitete Größen enthalten sind. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie RGB-Kameras genutzt werden, um mit Hilfe stereographischer Techniken die Geometrie der beobachteten Wolken ab zu leiten und so die Möglichkeiten zur passiven Fernerkundung auf dem Forschungsflugzeug HALO zu erweitern. Aus den so gemessenen Positionen der Wolkenoberflächen wird eine geschlossene Darstellung der Wolkenoberflächen berechnet. Dies ermöglicht es die Daten aus anderen passiven Fernerkundungsmethoden um Höhe und Ort der Messung zu erweitern. Außerdem ist es so möglich die Orientierung der Wolkenoberflächen und eine Schattenmaske auf Grund der nun bekannten Beobachtungsgeometrie zu berechnen. Das fertige System ist in der Lage, die sichtbaren Wolkenoberflächen aus Daten von einem Überflug zu rekonstruieren. Mit Hilfe theoretischer Strahlungstransportsimulationen und Messungen wird der Einfluss der neu gewonnenen Informationen auf bestehende Rekonstruktionsmethoden für Wolkenmikrophysik untersucht. In manchen Fällen helfen die neu gewonnenen Informationen direkt die Ergebnisse dieser Methoden zu verbessern und in jedem Fall ermöglichen es die Positionsdaten Bereiche zu identifizieren für die bekannt ist, dass bisherige Rekonstruktionsmethoden nicht funktionieren. Durch Ausschluss solcher Bereiche wird der Gesamtfehler von Mirkophysikrekonstruktionen weiterhin reduziert. Das aktuelle specMACS System ermöglicht auch polarisationsaufgelöste Messungen, wodurch eine sehr genaue Bestimmung der Wolkentropfengrößen möglich wird. Die nun verfügbaren Positionsdaten der Wolkenoberflächen helfen die Genauigkeit dieses Verfahrens deutlich zu verbessern. Die notwendigen Auf- und Umbauten des hyperspektralen und polarisationsauflösenden Messsystems specMACS, die während vier Flugzeuggestützer Messkampagnen auf dem Forschungsflugzeug HALO entwickelt wurden sind in dieser Arbeit beschrieben