Influence of ice crystal habit and cirrus spatial inhomogeneities on the retrieval of cirrus optical thickness and effective radius

Diese Dissertation untersucht den Einfluss von Eiskristallform und räumlicher Inhomogenität von Zirren auf das Retrieval von optischer Wolkendicke und effektivem Eispartikelradius. Zu diesem Zweck werden flugzeuggetragene spektrale Messungen solarer Strahlung sowie solare und langwellige Strahlungstransfersimulationen durchgeführt. Flugzeuggetragene spektrale aufwärtsgerichtete Radianzen (Strahldichten) sind mit dem SMART-Albedometer (Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem) während des CIRCLE-2 (CIRrus CLoud Experiment-2) Feldexperiments im Mai 2007 gemessen worden. Basierend auf diesen Radianzdaten werden mittels eines Wolkenretrievalalgorithmus optische Wolkendicken und effektive Eispartikelradien anhand von eindimensionalen Strahlungstransferrechnungen bestimmt. Die Auswirkung der Annahme unterschiedlicher Eiskristallformen auf die retrievten Parameter wird durch Variation der Einfachstreueigenschaften der Eispartikel untersucht. Darüber hinaus wird mittels Strahlungstransferrechnungen auch der Einfluss der Eiskristallform auf den Strahlungsantrieb von Eiswolken ermittelt. Die Frage nach dem relativen Einfluss von räumlicher Wolkeninhomogenität und Eiskristallform wird anhand von dreidimensionalen und independent pixel approximation (IPA) Strahlungssimulationen untersucht. Die Analyse basiert auf einer Modelleiswolke, die aus Daten des NASA (National Aeronautics and Space Administration) TC4 (Tropical Composition, Cloud, and Climate Coupling) Feldexperiments im Sommer 2007 in Costa Rica erzeugt wurde. Lokal gesehen können beide Effekte - Eiskristallform und räumliche Eiswolkeninhomogenität - die gleiche Grössenordnung haben und zu einer Unter- bzw. Überschätzung der retrievten Parameter um 40 – 60% führen. Gemittelt über die ganze Wolke ist jedoch der Einfluss der Eiskristallform viel bedeutender als der von räumlichen Inhomogenitäten.

This PhD thesis investigates the influence of ice crystal habit and cirrus spatial inhomogeneities on the retrieval of cirrus optical thickness and effective ice particle radius. For this purpose airborne spectral solar radiation measurements as well as solar and thermal infrared radiative transfer simulations are conducted. Airborne spectral upwelling radiance data are obtained with the Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem (SMART-Albedometer) within the frame of the CIRrus CLoud Experiment-2 (CIRCLE-2) in May 2007. Based on these radiance data a cloud retrieval algorithm is employed to derive cirrus optical thickness and particle effective radius from one-dimensional (1D) radiative transfer calculations. The influence of ice particle shape on retrieved properties is evaluated by variation of the ice particle single-scattering properties in the retrieval. Also, the impact of ice particle habit on cirrus radiative forcing is studied by radiative transfer simulations. The question of relative importance of cirrus spatial heterogeneity and ice particle shape is addressed via three-dimensional (3D) and independent pixel approximation (IPA) cirrus radiative transfer calculations. This analysis is based on an exemplarily model cloud generated from data collected during the National Aeronautics and Space Administration (NASA) Tropical Composition, Cloud, and Climate Coupling (TC4) experiment in summer 2007 in Costa Rica. For this specific case it is found that locally both - shape effects and 3D effects - can be of the same magnitude (up to about 40 – 60% over- and underestimation of cirrus optical thickness and effective radius). However, on domain average, ice particle shape effects bias the retrievals more strongly than 3D effects.