The impact of ice crystals on radiative forcing and remote sensing of arctic boundary-layer mixed-phase clouds

This PhD thesis is embedded into the Arctic Study of Tropospheric Aerosol, Clouds and Radiation (ASTAR) and investigates the radiative transfer through Arctic boundary-layer mixed-phase (ABM) clouds. For this purpose airborne spectral solar radiation measurements and simulations of the solar and thermal infrared radiative transfer have been performed. This work reports on measurements with the Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem (SMART-Albedometer) conducted in the framework of ASTAR in April 2007 close to Svalbard. For ASTAR the SMART-Albedometer was extended to measure spectral radiance. The development and calibration of the radiance measurements are described in this work. In combination with in situ measurements of cloud particle properties provided by the Laboratoire de M¶et¶eorologie Physique (LaMP) and simultaneous airborne lidar measurements by the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI) ABM clouds were sampled. The SMART-Albedometer measurements were used to retrieve the cloud thermodynamic phase by three different approaches. A comparison of these results with the in situ and lidar measurements is presented in two case studies. Beside the dominating mixed-phase clouds pure ice clouds were found in cloud gaps and at the edge of a large cloud field. Furthermore the vertical distribution of ice crystals within ABM clouds was investigated. It was found that ice crystals at cloud top are necessary to describe the observed SMART-Albedometer measurements. The impact of ice crystals on the radiative forcing of ABM clouds is in vestigated by extensive radiative transfer simulations. The solar and net radiative forcing was found to depend on the ice crystal size, shape and the mixing ratio of ice crystals and liquid water droplets.

Diese Dissertation ist innerhalb eines Teilprojekts des Internationalen Polarjahres (IPY) namens ASTAR (Arctic Study of Tropospheric Aerosol, Clouds and Radiation) entstanden. Dabei wurde der Strahlungstransfer in arktischen Mischphasenwolken untersucht. Zu diesem Zweck wurden flugzeuggetragenen Messungen der spektral aufgelösten solaren Strahlung durchgeführt. Desweiteren wurde der solare sowie langwellige Strahlungstransfer mittels Modellen simuliert. In dieser Arbeit werden Messungen mit dem SMART-Albedometer (Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem) präsentiert, die im Rahmen von ASTAR im April 2007 in der Umgebung von Spitzbergen aufgezeichnet wurden. Für ASTAR wurde das SMART-Albedometer für Messungen der spektralen Strahlungsflussdichte (Radianz) erweitert. Die Entwicklung und Kalibrierungen der Radianzmessungen sind in der Arbeit beschrieben. In Kombination mit In-Situ-Messungen der Eigenschaften von Wolkenpartikeln, zur Verfügung gestellt durch das Laboratoire de Météorologie Physique (LAMP), und gleichzeitigen flugzeuggetragenen Lidarmessungen durch das Alfred-Wegener Institut for Polar- und Meeresforschung (AWI) wurden arktische Grenzschichtwolken untersucht. Die Messungen des SMART-Albedometer wurden zur Identifizierung der Wolkenphase (Eis, flüssig Wasser) genutzt. Für diesen Zweck wurden drei verschiedenen Methoden entwickelt und auf die Messungen angewandt. Für zwei Fallstudien werden Vergleiche zwischen den Ergebnissen dieser Methoden und der In-Situ- bzw. Lidarmessungen präsentiert. Neben dem vorherrschen- den Mischphasenwolken wurden reine Eiswolken im Bereich von Wolkenlücken und am Rand eines größeren Wolkenfeldes identifiziert. Weiterhin wurde die vertikale Verteilung von Eiskristallen in arktischen Mischphasenwolken untersucht. Es wird gezeigt, dass das Vorhandensein von Eiskristallen nahe der Wolkenoberkante notwendig ist, um die beobachteten Strahlungsmessungen durch Simulationen zu reproduzieren. Der Einfluss der Eiskristalle auf den Strahlungsantrieb dieser Wolken wurde mittels umfassenden Strahlungsübertragungsrechnungen ermittelt. Es wird gezeigt, dass der solare und netto Strahlungsantrieb von dem Mischungsverhältnis von Eiskristallen und Wassertröpfchen abhängt. Dieser Zusammenhang wird zusätzlich durch die Größe und Form der Eiskristalle beeinflusst.