A Lagrangian analysis of ice-supersaturated air over the North Atlantic

Understanding the nature of air parcels that exhibit ice-supersaturation is important because they are the regions of potential formation of both cirrus and aircraft contrails, which affect the radiation balance. Ice-supersaturated air parcels in the upper troposphere and lower stratosphere over the North Atlantic are investigated using Lagrangian trajectories. The trajectory calculations use ERA-Interim data for three winter and three summer seasons, resulting in approximately 200,000 trajectories with ice-supersaturation for each season. For both summer and winter, the median duration of ice-supersaturation along a trajectory is less than 6 hours. 5% of air which becomes ice-supersaturated in the troposphere, and 23% of air which becomes ice-supersaturated in the stratosphere will remain ice-supersaturated for at least 24 hours. Weighting the ice-supersaturation duration with the observed frequency indicates the likely overall importance of the longer duration ice-supersaturated trajectories. Ice-supersaturated air parcels typically experience a decrease in moisture content while ice-supersaturated, suggesting that cirrus clouds eventually form in the majority of such air. A comparison is made between short-lived (less than 24 h) and long-lived (greater than 24 h) ice-supersaturated air flows. For both air flows, ice-supersaturation occurs around the northernmost part of the trajectory. Short-lived ice-supersaturated air flows show no significant differences in speed or direction of movement to subsaturated air parcels. However, long-lived ice-supersaturated air occurs in slower moving air flows, which implies that they are not associated with the fastest moving air through a jet stream.

Ice supersaturation and the potential for contrail formation in a changing climate

Ice supersaturation (ISS) in the upper troposphere and lower stratosphere is important for the formation of cirrus clouds and long-lived contrails. Cold ISS (CISS) regions (taken here to be ice-supersaturated regions with temperature below 233 K) are most relevant for contrail formation.We analyse projected changes to the 250 hPa distribution and frequency of CISS regions over the 21st century using data from the Representative Concentration Pathway 8.5 simulations for a selection of Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 models. The models show a global-mean, annual-mean decrease in CISS frequency by about one-third, from 11 to 7% by the end of the 21st century, relative to the present-day period 1979–2005. Changes are analysed in further detail for three subregions where air traffic is already high and increasing (Northern Hemisphere mid-latitudes) or expected to increase (tropics and Northern Hemisphere polar regions). The largest change is seen in the tropics, where a reduction of around 9 percentage points in CISS frequency by the end of the century is driven by the strong warming of the upper troposphere. In the Northern Hemisphere mid-latitudes the multi-model-mean change is an increase in CISS frequency of 1 percentage point; however the sign of the change is dependent not only on the model but also on latitude and season. In the Northern Hemisphere polar regions there is an increase in CISS frequency of 5 percentage points in the annual mean. These results suggest that, over the 21st century, climate change may have large impacts on the potential for contrail formation; actual changes to contrail cover will also depend on changes to the volume of air traffic, aircraft technology and flight routing.

Atmospheric radiative transfer in multiple scattering conditions. Application to NWP models.

High spectral resolution radiative transfer (RT) codes are essential tools in the study of the radiative energy transfer in the Earth atmosphere and a support for the development of parameterizations for fast RT codes used in climate and weather prediction models. Cirrus clouds cover permanently 30% of the Earth's surface, representing an important contribution to the Earth-atmosphere radiation balance. The work has been focussed on the development of the RT model LBLMS. The model, widely tested in the infra-red spectral range, has been extended to the short wave spectrum and it has been used in comparison with airborne and satellite measurements to study the optical properties of cirrus clouds. A new database of single scattering properties has been developed for mid latitude cirrus clouds. Ice clouds are treated as a mixture of ice crystals with various habits. The optical properties of the mixture are tested in comparison to radiometric measurements in selected case studies. Finally, a parameterization of the mixture for application to weather prediction and global circulation models has been developed. The bulk optical properties of ice crystals are parameterized as functions of the effective dimension of measured particle size distributions that are representative of mid latitude cirrus clouds. Tests with the Limited Area Weather Prediction model COSMO have shown the impact of the new parameterization with respect to cirrus cloud optical properties based on ice spheres.

Flugzeuggestützte Messungen des atmosphärischen Aerosols

Flugzeuggestützte Messungen des atmosphärischen Aerosols: Saharastaub, stratosphärisches Hintergrundaerosol und nichtsichtbare Wolken in den Tropen Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden flugzeuggestütze Messungen des atmosphärischen Aerosols durchgeführt. Das hierfür eingesetzten Meßinstrument (FSSP-300) mißt die Intensität des von einzelnen Aerosolpartikeln in Vorwärtsrichtung gestreuten Lichts. Der Meßbereich umfaßt Partikeldurchmesser von ca. 0,4 µm bis 20 µm. Das FSSP-300 wurde auf mehreren Flugzeugen eingesetzt, u. a. auch erstmals auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug Geophysika. Bei der Meßkampagen ACE-2 wurden im Juli 1997 von Teneriffa aus zwei Schichten windgetragenen Sahara-Staubes beobachtet. Die tiefere Schicht reichte bis in 1500 m Höhe, die höhere Schicht bis in 6000 m bei einer Schichtdicke von über 3000 m. In einer Analyse der Wetterlage und von Rückwärtstrajektorien wird der Ursprung des Staubes dargestellt. Die mit dem FSSP-300 gemessenen Größenverteilungen werden durch Messungen anderer Partikel-Meßinstrumente ergänzt und mit Literaturdaten verglichen. Im Rahmen der Untersuchung des stratosphärischen Aerosols wurden Messungen aus zwei Perioden ohne vulkanischen Einfluß und aus der Zeit nach dem Ausbruch des Vulkans Pinatubo verglichen. Die beiden Perioden reinen Hintergrundaerosols lagen mit über fünf Jahren eine vergleichbare Zeitspanne nach großen Vulkanausbrüchen. Die Analyse der Aerosolmessungen umfaßt den zeitlichen Verlauf der Gesamtkonzentration als auch den Vergleich von Größenverteilungen aus den verschiedenen Perioden. Bei den Flügen über dem Indischen Ozean während der Meßkampagne APE-THESEO auf den Seychellen wurden verschiedene Schichten von Cirren im Bereich des Ausläufers eines Cumulonimbus und direkt an der Tropopause beobachtet. Letztere und auch einige Bereiche der ersteren waren nichtsichtbar, d. h. hatten eine optische Dicke von weniger als 0,03 im sichtbaren Licht. Die Partikelmessungen werden auch im Kontext der Ergebnisse anderer Meßinstrumente und einer meteorologischen Analyse der Wettersituation betrachtet. Die gemessenen Größenverteilungen sind eine wichtige Ergänzung der wenigen früheren Veröffentlichungen zu diesem Thema.

Aufbau eines flugzeuggetragenen Massenspektrometers zur Messung von HNO 3 und HONO und Quantifizierung der HNO 3-Aufnahme in Eispartikel in Kondensstreifen und Zirren

Im Zuge dieser Arbeit ist ein Massenspektrometer zur flugzeuggetragenen Messung von HNO3 und HONO auf dem neuen deutschen Forschungsflugzeug HALO aufgebaut worden (AIMS - Atmospheric chemical Ionization Mass Spectrometer). Die Ionisation der HNO3- und HONO-Moleküle erfolgt chemisch durch Reaktion mit SF5- -Ionen. Basierend auf den Ergebnissen von Laborversuchen wurden die Betriebsparameter optimiert, die Einzelkomponenten im HALO-Rack zusammengestellt und eine Einlassleitung entworfen, die Wandeffekte minimiert und Untergrundmessungen und HNO3-Kalibrationen im Flug ermöglicht. Die Empfindlichkeit der Messung von HNO3 und HONO wurde ebenso im Labor untersucht wie Interferenzen mit Wasserdampf und Ozon. Die HONO-Vergleichskampagne FIONA am Europäischen Photoreaktor (EUPHORE) in Valencia war die erste Messkampagne mit AIMS. Bei den offenen Vergleichsmessungen stimmten die von AIMS gemessenen HONO-Mischungsverhältnisse innerhalb +-20% mit dem Median von 9 weiteren HONO-Messungen überein. Die ersten flugzeuggetragenen Messungen mit AIMS werden im Verlauf der HALO-Missionen ML-CIRRUS und TACTS stattfinden. Neben dem Aufbau und der Charakterisierung von AIMS war die Analyse der Aufnahme von HNO3 in Eispartikel von Kondensstreifen und Zirren Gegenstand dieser Arbeit. Die Aufnahme von HNO3 in Kondensstreifeneispartikel wurde erstmals systematisch anhand einer Flugzeugmesskampagne (CIRRUS-III) untersucht. Während CIRRUS-III im November 2006 wurden Zirren und zufällig knapp 40 persistente Kondensstreifen über Deutschland und Nordeuropa beprobt. Die Messungen fanden in Höhen zwischen 10 und 11.5 km und bei Temperaturen zwischen 210 und 230 K statt. Die HNO3-Konzentration wurde mit Hilfe von NOy-Messungen bestimmt. Im Mittel war in Kondensstreifen ein größerer Anteil des Gesamt-HNO3 in den Eispartikeln gebunden (6 %) als in Zirren (3 %). Das Gasphasenäquivalent des eisgebundenen HNO3 betrug in Zirren durchschnittlich 6 pmol/mol, in Kondensstreifen 14 pmol/mol und in jungen Kondensstreifen (Alter<1 h) 21 pmol/mol. Das Mischungsverhältnis von HNO3 zu H2O in Eispartikeln war in Kondensstreifen leicht höher als in Zirren unter ähnlichen meteorologischen Bedingungen. Ursächlich für die höheren Werte in persistenten Kondensstreifen sind wahrscheinlich die hohen HNO3-Konzentrationen in den Abgasfahnen der Flugzeuge bei der Kondensstreifenbildung. Die beobachtete Abnahme des HNO3/H2O-Molverhältnisses mit zunehmendem Effektivdurchmesser der Eispartikel deutet an, dass die HNO3-Konzentrationen in Eispartikeln von jungen Kondensstreifen durch die Aufnahme von Abgas-HNO3 in die gefrierenden Aerosolpartikel bestimmt wird. Die Konzentrationen in älteren Kondensstreifen werden zunehmend durch das Vergraben von Umgebungs-HNO3 in wachsenden Eispartikeln kontrolliert. Diese Studie leistet einen Beitrag zu einem besseren Prozessverständnis der HNO3-Aufnahme in atmosphärische Eispartikel. Sie motiviert die Nutzung persistenter Kondensstreifen als atmosphärisches Labor zur Untersuchung der Spurengasaufnahme in wachsende Eispartikel.

Airborne in situ measurements of ice particles in the tropical tropopause layer

Ice clouds have a strong effect on the Earth-atmosphere radiative energy balance, on the distribution of condensable gases in the atmosphere, as well as on the chemical composition of the air. The ice particles in these clouds can take on a variety of shapes which makes the description of the cloud microphysical properties more difficult. In the tropical upper troposphere/lower stratosphere (UTLS), a region where ice cloud abundance is relatively high, different types of ice clouds can be observed. However, in situ measurements are rare due to the high altitude of these clouds and the few available research aircraft, only three worldwide, that can fly at such altitudes.rnThis work focuses on in situ measurements of the tropical UTLS clouds performedrnwith a Cloud Imaging Probe (CIP) and a Forward Scattering Spectrometer Probern(FSSP-100), whereof the CIP is the key instrument of this thesis. The CIP is anrnairborne in situ instrument that obtains two-dimensional shadow images of cloud particles. Several cloud microphysical parameters can be derived from these measurements, e.g. number concentrations and size distributions. In order to obtain a high quality data set, a careful image analysis and several corrections need to be applied to the CIP observations. These methods are described in detail.rnMeasurements within the tropical UTLS have been performed during two campaigns:rnSCOUT-O3, 2005 in Northern Australia and SCOUT-AMMA, 2006 inWest Africa. Thernobtained data set includes first observations of subvisible cirrus clouds over a continental area and observations of the anvils of deep convective clouds. The latter can be further divided into clouds in mesoscale convective system outflows of different ages and clouds in overshooting cloud turrets that even penetrated the stratosphere. The microphysical properties of these three cloud types are discussed in detail. Furthermore, the vertical structure of the ice clouds in the UTLS is investigated. The values of the microphysical parameters were found to decrease with increasing altitude in the upper troposphere. Particle numbers and maximum sizes were also decreasing with increasing age of the outflow clouds. Further differences between the deep convective clouds and subvisible cirrus were found in the particle morphology as well as in the ratio of the observed aerosol particles to cloud particles which indicates that the different freezing processes (deposition, contact, immersion freezing) play different roles in the formation of the respective clouds. For the achievementrnof a better microphysical characterisation and description numerical fits have been adjusted onto the cloud particle size distributions of the subvisible cirrus as well as on the size distributions of the clouds at different altitudes in the UTLS.

Massenspektrometrische Wasserdampfmessung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung des flugzeuggetragenen Atmosphärischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS-H2O zur Messung von Wasserdampf in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) und erste Flugzeugmessungen mit dem Instrument. Wasserdampf beeinflusst das Klima in der UTLS aufgrund seiner Strahlungseigenschaften und agiert als wichtiger Parameter bei der Bildung von Zirruswolken und Kondensstreifen. Deshalb sind genaue Wasserdampfmessungen für das Verständnis vieler atmosphärischer Prozesse unerlässlich. Instrumentenvergleiche wie sie im SPARC Report No. 2 und dem Bericht der AUQAVIT Kampagne zusammengefasst sind, haben gezeigt, dass große Abweichungen zwischen einzelnen Methoden und Instrumenten bestehen. Diese Unsicherheiten limitieren das Verständnis des Einflusses von Wasserdampf auf die Dynamik und die Strahlungseigenschaften in der UTLS. Die in dieser Arbeit vorgestellte Entwicklung einer neuen Messmethode für Wasserdampf mit dem Massenspektrometer AIMS-H2O ist deshalb auf die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen in der UTLS fokussiert. Mit AIMS H2O wird Umgebungsluft in einer neu entwickelten Gasentladungsquelle ionisiert. Durch eine Reihe von Ionen-Molekül-Reaktionen entstehen H3O+(H2O) und H3O+(H2O)2 Ionen. Diese Ionen werden genutzt, um die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre zu bestimmen. Um die erforderliche hohe Genauigkeit zu erzielen, wird AIMS H2O im Flug kalibriert. In dem zu diesem Zweck aufgebauten Kalibrationsmodul wird die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf einer Platinoberfläche genutzt, um definierte Wasserdampfkonzentrationen für die Kalibration im Flug zu erzeugen. Bei ersten Messungen auf der Falcon während der Kampagne CONCERT 2011 konnte dabei eine Genauigkeit von 8 bis 15% für die Messung der Wasserdampfkonzentration in einem Messbereich von 0,5 bis 250 ppmv erreicht werden. Die Messfrequenz betrug 4 Hz, was einer räumlichen Auflösung von etwa 50 m entspricht. Der Vergleich der Messung des Massenspektrometers mit dem Laserhygrometer Waran zeigt eine sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Unsicherheiten. Anhand zweier Fallstudien werden die Messungen von AIMS H2O während CONCERT 2011 detailliert analysiert. In der ersten Studie werden zwei Flüge in eine stratosphärische Intrusion über Nordeuropa untersucht. In dieser Situation wurde stratosphärische Luft bis hinunter auf 6 km Höhe transportiert und war dadurch mit der Falcon erreichbar. Es konnte gezeigt werden, dass AIMS-H2O sehr gut für die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen, in diesem Fall bis etwa 3,5 ppmv, geeignet ist. Der Vergleich der Messung mit Analysen des ECMWF Integrated Forecast Systems zeigt eine gute Übereinstimmung der gemessenen Wasserdampfstrukturen mit der dynamischen Tropopause. Unterschiede tauchen dagegen beim Vergleich der Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre auf. Hier prognostiziert das Modell deutlich höhere Feuchten. Die zweite Fallstudie beschäftigt sich mit der Verteilung der relativen Feuchte in jungen Kondensstreifen im Vergleich zu ihrer direkten Umgebung. Dabei wurde für drei Messsequenzen im Abgasstrahl von Flugzeugen beobachtet, dass die relative Feuchte innerhalb des Kondensstreifens im Vergleich zur Umgebung sowohl bei unter- als auch übersättigten Umgebungsbedingungen in Richtung Sättigung verschoben ist. Die hohe Anzahl an Eispartikeln und die damit verbundene große Eisoberfläche in jungen Kondensstreifen führt also zu einer schnellen Relaxation von Gasphase und Eis in Richtung Gleichgewicht. In der Zukunft soll AIMS-H2O auch auf HALO für die genaue Messung von Wasserdampf bei ML-CIRRUS und weiteren Kampagnen eingesetzt werden.

Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.

Introduction to the Maïdo Lidar Calibration Campaign dedicated to the validation of upper air meteorological parameters

The first operations at the new High-altitude Maïdo Observatory at La Réunion began in 2013. The Maïdo Lidar Calibration Campaign (MALICCA) was organized there in April 2013 and has focused on the validation of the thermodynamic parameters (temperature, water vapor, and wind) measured with many instruments including the new very large lidar for water vapor and temperature profiles. The aim of this publication consists of providing an overview of the different instruments deployed during this campaign and their status, some of the targeted scientific questions and associated instrumental issues. Some specific detailed studies for some individual techniques were addressed elsewhere. This study shows that temperature profiles were obtained from the ground to the mesopause (80 km) thanks to the lidar and regular meteorological balloon-borne sondes with an overlap range showing good agreement. Water vapor is also monitored from the ground to the mesopause by using the Raman lidar and microwave techniques. Both techniques need to be pushed to their limit to reduce the missing range in the lower stratosphere. Total columns obtained from global positioning system or spectrometers are valuable for checking the calibration and ensuring vertical continuity. The lidar can also provide the vertical cloud structure that is a valuable complementary piece of information when investigating the water vapor cycle. Finally, wind vertical profiles, which were obtained from sondes, are now also retrieved at Maïdo from the newly implemented microwave technique and the lidar. Stable calibrations as well as a small-scale dynamical structure are required to monitor the thermodynamic state of the middle atmosphere, ensure validation of satellite sensors, study the transport of water vapor in the vicinity of the tropical tropopause and study their link with cirrus clouds and cyclones and the impact of small-scale dynamics (gravity waves) and their link with the mean state of the mesosphere.

Correlations between microphysical properties of large-scale semi-transparent cirrus and the state of the atmosphere

By making use of TOVS Path-B satellite retrievals and ECMWF reanalyses, correlations between bulk microphysical properties of large-scale semi-transparent cirrus (visible optical thickness between 0.7 and 3.8) and thermodynamic and dynamic properties of the surrounding atmosphere have been studied on a global scale. These clouds constitute about half of all high clouds. The global averages (from 60°N to 60°S) of mean ice crystal diameter, De, and ice water path (IWP) of these clouds are 55 μm and 30 g m−2, respectively. IWP of these cirrus is slightly increasing with cloud-top temperature, whereas De of cold cirrus does not depend on this parameter. Correlations between De and IWp of large-scale cirrus seem to be different in the midlatitudes and in the tropics. However, we observe in general stronger correlations between De and IWP and atmospheric humidity and winds deduced from the ECMWF reanalyses: De and IWP increase both with increasing atmospheric water vapour. There is also a good distinction between different dynamical situations: In humid situations, IWP is on average about 10 gm−2 larger in regions with strong large-scale vertical updraft only that in regions with strong large-scale horizontal winds only, whereas the mean De of cold large-scale cirrus decreases by about 10 μm if both strong large-scale updraft and horizontal winds are present.

A methodology for in-situ and remote sensing of microphysical and radiative properties of contrails as they evolve into cirrus

Contrails and especially their evolution into cirrus-like clouds are thought to have very important effects on local and global radiation budgets, though are generally not well represented in global climate models. Lack of contrail parameterisations is due to the limited availability of in situ contrail measurements which are difficult to obtain. Here we present a methodology for successful sampling and interpretation of contrail microphysical and radiative data using both in situ and remote sensing instrumentation on board the FAAM BAe146 UK research aircraft as part of the COntrails Spreading Into Cirrus (COSIC) study.

A coupled cloud physics–radiation parameterization of the bulk optical properties of cirrus and its impact on the Met Office unified model global atmosphere 5.0 configuration

A new coupled cloud physics–radiation parameterization of the bulk optical properties of ice clouds is presented. The parameterization is consistent with assumptions in the cloud physics scheme regarding particle size distributions (PSDs) and mass–dimensional relationships. The parameterization is based on a weighted ice crystal habit mixture model, and its bulk optical properties are parameterized as simple functions of wavelength and ice water content (IWC). This approach directly couples IWC to the bulk optical properties, negating the need for diagnosed variables, such as the ice crystal effective dimension. The parameterization is implemented into the Met Office Unified Model Global Atmosphere 5.0 (GA5) configuration. The GA5 configuration is used to simulate the annual 20-yr shortwave (SW) and longwave (LW) fluxes at the top of the atmosphere (TOA), as well as the temperature structure of the atmosphere, under various microphysical assumptions. The coupled parameterization is directly compared against the current operational radiation parameterization, while maintaining the same cloud physics assumptions. In this experiment, the impacts of the two parameterizations on the SW and LW radiative effects at TOA are also investigated and compared against observations. The 20-yr simulations are compared against the latest observations of the atmospheric temperature and radiative fluxes at TOA. The comparisons demonstrate that the choice of PSD and the assumed ice crystal shape distribution are as important as each other. Moreover, the consistent radiation parameterization removes a long-standing tropical troposphere cold temperature bias but slightly warms the southern midlatitudes by about 0.5 K.

Advantages of exploiting projection structure for segmenting dense 3D point clouds

Timely and comprehensive scene segmentation is often a critical step for many high level mobile robotic tasks. This paper examines a projected area based neighbourhood lookup approach with the motivation towards faster unsupervised segmentation of dense 3D point clouds. The proposed algorithm exploits the projection geometry of a depth camera to find nearest neighbours which is time independent of the input data size. Points near depth discontinuations are also detected to reinforce object boundaries in the clustering process. The search method presented is evaluated using both indoor and outdoor dense depth images and demonstrates significant improvements in speed and precision compared to the commonly used Fast library for approximate nearest neighbour (FLANN) [Muja and Lowe, 2009].

Separable spatiotemporal priors for convex reconstruction of time-varying 3D point clouds

Reconstructing 3D motion data is highly under-constrained due to several common sources of data loss during measurement, such as projection, occlusion, or miscorrespondence. We present a statistical model of 3D motion data, based on the Kronecker structure of the spatiotemporal covariance of natural motion, as a prior on 3D motion. This prior is expressed as a matrix normal distribution, composed of separable and compact row and column covariances. We relate the marginals of the distribution to the shape, trajectory, and shape-trajectory models of prior art. When the marginal shape distribution is not available from training data, we show how placing a hierarchical prior over shapes results in a convex MAP solution in terms of the trace-norm. The matrix normal distribution, fit to a single sequence, outperforms state-of-the-art methods at reconstructing 3D motion data in the presence of significant data loss, while providing covariance estimates of the imputed points.