Spectral Optical Layer Properties of Cirrus - Collocated Airborne Measurements and Radiative Transfer Simulations

In der vorliegenden Arbeit werden optische Schichteigenschaften von Zirren durch räumlich und zeitlich kombinierte flugzeuggetragene Messungen zusammen mit Strahlungstransfersimulationen untersucht. Diese räumlich koordinierten Strahlungs– und Mikrophysikmessungen oberhalb, unterhalb und innerhalb des Zirrus werden mittels eines Forschungsflugzeuges (Learjet 35A) in Kombination mit einem Schleppkörper namens AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle) realisiert. AIRTOSS wird dabei vom Flugzeug aus mittels einer Winde abgelassen und wieder eingeholt. Die maximale Seillänge beträgt 4 km. Im Rahmen des AIRTOSS–ICE–Projekts (Inhomogeneous Cirrus Experiment) wurden während zweier Messkampagnen über der Nord– und Ostsee im Frühjahr und Spätsommer 2013 flugzeuggetragene Beobachtungen der Zirruseigenschaften durchgeführt. Beispielmessungen eines Messfluges werden in dieser Arbeit gezeigt, welche den Nutzen der simultanen Strahlungsmessungen mittels zweier Messplattformen aufzeigen. Aus den Messungen der spektralen Flussdichten oberhalb und unterhalb des Zirrus werden die optischen Schichteigenschaften wie Transmissivität, Reflektivität und Absorptivität und die Albedo der Wolkenschicht ermittelt. Die flugzeuggetragenen Untersuchungen werden durch Sensitivitätsstudien gestützt, basierend auf einem eindimensionalen Strahlungstransfermodell. Dies dient der Charaktierisierung des Einflusses variierender, optischer und mikrophysikalischer Zirruseigenschaften (Eiskristallform, Partikelgröße und optische Dicke) auf die optischen Schichteigenschaften und den solaren Strahlungsantrieb des Zirrus. Weitere Studien zeigen den Einfluss einer darunterliegenden Flüssigwasserwolke auf die Zirruseigenschaften. Eine niedrige Wolkenschicht führt zu Abweichungen der Schichteigenschaften des Zirrus von 85%. Die Nichtberücksichtigung niedriger Wolken unterhalb einer Zirrusschicht führt zu einer deutlichen Überschätzung des Strahlungsantriebs des Zirrus um Faktor 5.In this thesis cirrus optical layer properties are investigated by truly collocated measurements and supplementary radiative transfer simulations. The close collocation of the radiative and microphysical measurements, above, beneath and inside the cirrus, is obtained by using a research aircraft (Learjet 35A) in tandem with a towed platform called AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle). AIRTOSS can be released from and retracted back to the research aircraft by means of a cable up to a distance of 4 km. Data were collected in two field campaigns above the North and Baltic Sea in spring and late summer 2013 in the framework of the AIRTOSS–ICE (AIRTOSS – Inhomogeneous Cirrus Experiment) project. Exemplary, results from one measuring flight are discussed also to illustrate the benefits of collocated sampling. The spectral optical layer properties of cirrus are derived from simultaneous and vertically collocated measurements of spectral upward and downward solar irradiance above and below the cloud layer and concurrent in situ microphysical sampling of the ice particle size distributions. From the irradiance data the optical layer properties (transmissivity, reflectivity, and absorptivity) and the cloud top albedo of the observed cirrus layer are obtained. These airborne observations are supported by sensitivity studies using one–dimensional radiative transfer modelling to characterize the effect of varying cirrus optical and microphysical properties (ice crystal shape, particle size, and cloud optical thickness) on the cirrus optical layer properties, as well as on the solar cirrus radiative forcing. Further studies show the impact of an underlying low–level liquid water cloud on the mentioned cirrus properties. A low–level cloud causes differences in the layer properties of the cirrus by 85%. If low–level clouds below cirrus are not considered the solar cooling due to the cirrus is significantly overestimated by up to a factor of 5

Simulation and observations of stratospheric aerosols from the 2009 Sarychev volcanic eruption

We used a general circulation model of Earth’s climate to conduct simulations of the 12-16 June 2009 eruption of Sarychev volcano (48.1°N, 153.2°E). The model simulates the formation and transport of the stratospheric sulfate aerosol cloud from the eruption and the resulting climate response. We compared optical depth results from these simulations with limb scatter measurements from the Optical Spectrograph and InfraRed Imaging System (OSIRIS), in situ measurements from balloon-borne instruments lofted from Laramie, Wyoming (41.3°N, 105.7°W), and five lidar stations located throughout the Northern Hemisphere. The aerosol cloud covered most of the Northern Hemisphere, extending slightly into the tropics, with peak backscatter measured between 12 and 16 km in altitude. Aerosol concentrations returned to near background levels by Spring, 2010. After accounting for expected sources of discrepancy between each of the data sources, the magnitudes and spatial distributions of aerosol optical depth due to the eruption largely agree. In conducting the simulations, we likely overestimated both particle size and the amount of SO2 injected into the stratosphere, resulting in modeled optical depth values that were a factor of 2-4 too high. Model results of optical depth due to the eruption show a peak too late in high latitudes and too early in low latitudes, suggesting a problem with stratospheric circulation in the model. The model also shows a higher annual decay rate in optical depth than is observed, showing an inaccuracy in seasonal deposition rates. The modeled deposition rate of sulfate aerosols from the Sarychev eruption is higher than the rate calculated for aerosols from the 1991 eruption of Mt. Pinatubo

Spectral Optical Layer Properties of Cirrus - Collocated Airborne Measurements and Radiative Transfer Simulations

In der vorliegenden Arbeit werden optische Schichteigenschaften von Zirren durch räumlich und zeitlich kombinierte flugzeuggetragene Messungen zusammen mit Strahlungstransfersimulationen untersucht. Diese räumlich koordinierten Strahlungs– und Mikrophysikmessungen oberhalb, unterhalb und innerhalb des Zirrus werden mittels eines Forschungsflugzeuges (Learjet 35A) in Kombination mit einem Schleppkörper namens AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle) realisiert. AIRTOSS wird dabei vom Flugzeug aus mittels einer Winde abgelassen und wieder eingeholt. Die maximale Seillänge beträgt 4 km. Im Rahmen des AIRTOSS–ICE–Projekts (Inhomogeneous Cirrus Experiment) wurden während zweier Messkampagnen über der Nord– und Ostsee im Frühjahr und Spätsommer 2013 flugzeuggetragene Beobachtungen der Zirruseigenschaften durchgeführt. Beispielmessungen eines Messfluges werden in dieser Arbeit gezeigt, welche den Nutzen der simultanen Strahlungsmessungen mittels zweier Messplattformen aufzeigen. Aus den Messungen der spektralen Flussdichten oberhalb und unterhalb des Zirrus werden die optischen Schichteigenschaften wie Transmissivität, Reflektivität und Absorptivität und die Albedo der Wolkenschicht ermittelt. Die flugzeuggetragenen Untersuchungen werden durch Sensitivitätsstudien gestützt, basierend auf einem eindimensionalen Strahlungstransfermodell. Dies dient der Charaktierisierung des Einflusses variierender, optischer und mikrophysikalischer Zirruseigenschaften (Eiskristallform, Partikelgröße und optische Dicke) auf die optischen Schichteigenschaften und den solaren Strahlungsantrieb des Zirrus. Weitere Studien zeigen den Einfluss einer darunterliegenden Flüssigwasserwolke auf die Zirruseigenschaften. Eine niedrige Wolkenschicht führt zu Abweichungen der Schichteigenschaften des Zirrus von 85%. Die Nichtberücksichtigung niedriger Wolken unterhalb einer Zirrusschicht führt zu einer deutlichen Überschätzung des Strahlungsantriebs des Zirrus um Faktor 5.In this thesis cirrus optical layer properties are investigated by truly collocated measurements and supplementary radiative transfer simulations. The close collocation of the radiative and microphysical measurements, above, beneath and inside the cirrus, is obtained by using a research aircraft (Learjet 35A) in tandem with a towed platform called AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle). AIRTOSS can be released from and retracted back to the research aircraft by means of a cable up to a distance of 4 km. Data were collected in two field campaigns above the North and Baltic Sea in spring and late summer 2013 in the framework of the AIRTOSS–ICE (AIRTOSS – Inhomogeneous Cirrus Experiment) project. Exemplary, results from one measuring flight are discussed also to illustrate the benefits of collocated sampling. The spectral optical layer properties of cirrus are derived from simultaneous and vertically collocated measurements of spectral upward and downward solar irradiance above and below the cloud layer and concurrent in situ microphysical sampling of the ice particle size distributions. From the irradiance data the optical layer properties (transmissivity, reflectivity, and absorptivity) and the cloud top albedo of the observed cirrus layer are obtained. These airborne observations are supported by sensitivity studies using one–dimensional radiative transfer modelling to characterize the effect of varying cirrus optical and microphysical properties (ice crystal shape, particle size, and cloud optical thickness) on the cirrus optical layer properties, as well as on the solar cirrus radiative forcing. Further studies show the impact of an underlying low–level liquid water cloud on the mentioned cirrus properties. A low–level cloud causes differences in the layer properties of the cirrus by 85%. If low–level clouds below cirrus are not considered the solar cooling due to the cirrus is significantly overestimated by up to a factor of 5

Spectral Optical Layer Properties of Cirrus - Collocated Airborne Measurements and Radiative Transfer Simulations

In der vorliegenden Arbeit werden optische Schichteigenschaften von Zirren durch räumlich und zeitlich kombinierte flugzeuggetragene Messungen zusammen mit Strahlungstransfersimulationen untersucht. Diese räumlich koordinierten Strahlungs– und Mikrophysikmessungen oberhalb, unterhalb und innerhalb des Zirrus werden mittels eines Forschungsflugzeuges (Learjet 35A) in Kombination mit einem Schleppkörper namens AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle) realisiert. AIRTOSS wird dabei vom Flugzeug aus mittels einer Winde abgelassen und wieder eingeholt. Die maximale Seillänge beträgt 4 km. Im Rahmen des AIRTOSS–ICE–Projekts (Inhomogeneous Cirrus Experiment) wurden während zweier Messkampagnen über der Nord– und Ostsee im Frühjahr und Spätsommer 2013 flugzeuggetragene Beobachtungen der Zirruseigenschaften durchgeführt. Beispielmessungen eines Messfluges werden in dieser Arbeit gezeigt, welche den Nutzen der simultanen Strahlungsmessungen mittels zweier Messplattformen aufzeigen. Aus den Messungen der spektralen Flussdichten oberhalb und unterhalb des Zirrus werden die optischen Schichteigenschaften wie Transmissivität, Reflektivität und Absorptivität und die Albedo der Wolkenschicht ermittelt. Die flugzeuggetragenen Untersuchungen werden durch Sensitivitätsstudien gestützt, basierend auf einem eindimensionalen Strahlungstransfermodell. Dies dient der Charaktierisierung des Einflusses variierender, optischer und mikrophysikalischer Zirruseigenschaften (Eiskristallform, Partikelgröße und optische Dicke) auf die optischen Schichteigenschaften und den solaren Strahlungsantrieb des Zirrus. Weitere Studien zeigen den Einfluss einer darunterliegenden Flüssigwasserwolke auf die Zirruseigenschaften. Eine niedrige Wolkenschicht führt zu Abweichungen der Schichteigenschaften des Zirrus von 85%. Die Nichtberücksichtigung niedriger Wolken unterhalb einer Zirrusschicht führt zu einer deutlichen Überschätzung des Strahlungsantriebs des Zirrus um Faktor 5.In this thesis cirrus optical layer properties are investigated by truly collocated measurements and supplementary radiative transfer simulations. The close collocation of the radiative and microphysical measurements, above, beneath and inside the cirrus, is obtained by using a research aircraft (Learjet 35A) in tandem with a towed platform called AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle). AIRTOSS can be released from and retracted back to the research aircraft by means of a cable up to a distance of 4 km. Data were collected in two field campaigns above the North and Baltic Sea in spring and late summer 2013 in the framework of the AIRTOSS–ICE (AIRTOSS – Inhomogeneous Cirrus Experiment) project. Exemplary, results from one measuring flight are discussed also to illustrate the benefits of collocated sampling. The spectral optical layer properties of cirrus are derived from simultaneous and vertically collocated measurements of spectral upward and downward solar irradiance above and below the cloud layer and concurrent in situ microphysical sampling of the ice particle size distributions. From the irradiance data the optical layer properties (transmissivity, reflectivity, and absorptivity) and the cloud top albedo of the observed cirrus layer are obtained. These airborne observations are supported by sensitivity studies using one–dimensional radiative transfer modelling to characterize the effect of varying cirrus optical and microphysical properties (ice crystal shape, particle size, and cloud optical thickness) on the cirrus optical layer properties, as well as on the solar cirrus radiative forcing. Further studies show the impact of an underlying low–level liquid water cloud on the mentioned cirrus properties. A low–level cloud causes differences in the layer properties of the cirrus by 85%. If low–level clouds below cirrus are not considered the solar cooling due to the cirrus is significantly overestimated by up to a factor of 5

Analysis of Water Content Profiles in Arctic Mixed-Phase Clouds during VERDI

Airborne measurements of liquid water content (LWC) and ice water content (IWC) were performed in mixed-phase clouds during the field campaign VERDI in Canada in April and May 2012. In single-layer and multi-layer clouds different vertical profiles of LWC and IWC could be observed. For single layer clouds the maximum LWC occurred in the upper half of the clouds while the IWC had a maximum near the cloud base. This pattern was attributed to the sedimentation of ice particles. In the lowest cloud layer of a multi-layer system both LWC and IWC reached a maximum near cloud top. Together with measured particles size distributions this suggests the presence of the seeder-feeder-process described by Fleishauer et al. (2012) for mid-level clouds.Im Rahmen der VERDI-Kampagne im April und Mai 2012 in Kanada wurden flugzeuggetragene Messungen von Flüssigwassergehalt (LWC) und Eiswassergehalt (IWC) durchgeführt. Für Einschicht- und Mehrschichtwolkensysteme konnten unterschiedliche Vertikalprofile von LWC und IWC nachgewiesen werden. In Einschichtsystemen wurden die größten Flüssigwassergehalte in der oberen Wolkenhälfte und die größten Eiswassergehalte nahe der Wolkenunterkante gemessen. Diese Verteilung wurde auf die Sedimentation von Eispartikeln zurückgeführt. In der untersten Wolkenschicht eines Mehrschichtsystems befanden sich die Maxima von LWC und IWC nahe der Wolkenoberkante. Diese Beobachtung deutet zusammen mit gemessenen Partikelgrößenverteilungen auf das Vorhandensein des Seeder-Feeder- Prozesses hin, welcher von Fleishauer et al. (2012) für mittelhohe Wolken beschrieben wurde

Correction to “Volcanic aerosol layers observed with multiwavelength Raman lidar over central Europe in 2008–2009”

Peer reviewe

Volcanic aerosol layers observed with multiwavelength Raman lidar over central Europe in 2008-2009

In the framework of regular European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET) observations, aerosol layers have been monitored with a multiwavelength aerosol Raman lidar in the upper troposphere and lower stratosphere over Leipzig (51.4 degrees N, 12.4 degrees E), Germany, since the summer of 2008. The origins of these layers are eruptions of different volcanoes on the Aleutian Islands, Kamchatka, Alaska, and on the Kuril Islands. FLEXPART transport simulations show that the volcanic aerosol is advected from Alaska to central Europe within about 7 days. The aerosol layers typically occurred in the upper troposphere above 5 km height and in the lower stratosphere below 25 km height. The optical depths of the volcanic aerosol layers are mostly between 0.004 and 0.025 at 532 nm. The wavelength dependence of the backscatter coefficients and extinction coefficients indicate Angstrom exponents from 1.0-2.0. Lidar ratios in the stratosphere are found in the range from 30-60 sr (355 nm) and 30-45 sr (532 nm). The estimation of the effective radius, surface-area, and mass concentrations of a volcanic aerosol layer, observed well within the stratosphere at end of August 2009, reveals values of 0.1-0.2 mu m, 5-10 mu m(2) cm(-3), and 0.3-0.5 mu g m(-3), respectively.Peer reviewe