The role of clouds in improving the regression model for hourly values of diffuse solar radiation

The study introduces a new regression model developed to estimate the hourly values of diffuse solar radiation at the surface. The model is based on the clearness index and diffuse fraction relationship, and includes the effects of cloud (cloudiness and cloud type), traditional meteorological variables (air temperature, relative humidity and atmospheric pressure observed at the surface) and air pollution (concentration of particulate matter observed at the surface). The new model is capable of predicting hourly values of diffuse solar radiation better than the previously developed ones (R-2 = 0.93 and RMSE = 0.085). A simple version with a large applicability is proposed that takes into consideration cloud effects only (cloudiness and cloud height) and shows a R-2 = 0.92. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Cirrus clouds observation in Santa Maria, Rio Grande do Sul during the experiment Chuva - Sul.

Cirrus clouds are an interesting point in the research of the atmosphere due their behavior and the effect on the earth radiation budget. They can affect the atmospheric radiation budget by reflecting the incoming solar radiation and absorbing the outgoing terrestrial radiation. Also, this cloud type is involved in the dehydration of the upper troposphere and lower stratosphere. So, it is interesting to increment the measurements of this type of clouds from the ground. During November and December 2012, through the CHUVA-SUL campaign, measurements with lidar in Santa Maria, Rio Grande do Sul were conducted. The system installed in Santa Maria site (29.8 °S; 53.7 °W, 100 m asl) was a single elastic-backscatter lidar using the wavelength of 532 nm. Some days with cirrus clouds lidar measurements were detected. Four days with presence of cirrus cloud are showed in the present study. These days, 7, 8, 19 and 28 November 2012, was selected due the persistence of cirrus clouds over many hours. The raw retrieval lidar signals and inverted backscatter coefficient profiles were analyzed for the selected days. Base and top height was obtained by analysis of raw signal and backscatter coefficient. Extinction coefficient profiles were obtained by the assumption of the lidar ratio. Cirrus cloud optical depth (COD) values were calculated, from the integration of the extinction coefficient between the base and top altitudes of the cirrus clouds.

Identifying clouds over the Pierre Auger Observatory using infrared satellite data

We describe a new method of identifying night-time clouds over the Pierre Auger Observatory using infrared data from the Imager instruments on the GOES-12 and GOES-13 satellites. We compare cloud identifications resulting from our method to those obtained by the Central Laser Facility of the Auger Observatory. Using our new method we can now develop cloud probability maps for the 3000 km2 of the Pierre Auger Observatory twice per hour with a spatial resolution of ∼2.4 km by ∼5.5 km. Our method could also be applied to monitor cloud cover for other ground-based observatories and for space-based observatories.

A spectroscopic and photometric study of stellar populations in a sample of clusters in the Magellanic Clouds

This Ph.D. Thesis has been carried out in the framework of a long-term and large project devoted to describe the main photometric, chemical, evolutionary and integrated properties of a representative sample of Large and Small Magellanic Cloud (LMC and SMC respectively) clusters. The globular clusters system of these two Irregular galaxies provides a rich resource for investigating stellar and chemical evolution and to obtain a detailed view of the star formation history and chemical enrichment of the Clouds. The results discussed here are based on the analysis of high-resolution photometric and spectroscopic datasets obtained by using the last generation of imagers and spectrographs. The principal aims of this project are summarized as follows: • The study of the AGB and RGB sequences in a sample of MC clusters, through the analysis of a wide near-infrared photometric database, including 33 Magellanic globulars obtained in three observing runs with the near-infrared camera SOFI@NTT (ESO, La Silla). • The study of the chemical properties of a sample of MCs clusters, by using optical and near-infrared high-resolution spectra. 3 observing runs have been secured to our group to observe 9 LMC clusters (with ages between 100 Myr and 13 Gyr) with the optical high-resolution spectrograph FLAMES@VLT (ESO, Paranal) and 4 very young (<30 Myr) clusters (3 in the LMC and 1 in the SMC) with the near-infrared high-resolution spectrograph CRIRES@VLT. • The study of the photometric properties of the main evolutive sequences in optical Color- Magnitude Diagrams (CMD) obtained by using HST archive data, with the final aim of dating several clusters via the comparison between the observed CMDs and theoretical isochrones. The determination of the age of a stellar population requires an accurate measure of the Main Sequence (MS) Turn-Off (TO) luminosity and the knowledge of the distance modulus, reddening and overall metallicity. For this purpose, we limited the study of the age just to the clusters already observed with high-resolution spectroscopy, in order to date only clusters with accurate estimates of the overall metallicity.

Simulations of physics and chemistry of polar stratospheric clouds with a general circulation model

A polar stratospheric cloud submodel has been developed and incorporated in a general circulation model including atmospheric chemistry (ECHAM5/MESSy). The formation and sedimentation of polar stratospheric cloud (PSC) particles can thus be simulated as well as heterogeneous chemical reactions that take place on the PSC particles. For solid PSC particle sedimentation, the need for a tailor-made algorithm has been elucidated. A sedimentation scheme based on first order approximations of vertical mixing ratio profiles has been developed. It produces relatively little numerical diffusion and can deal well with divergent or convergent sedimentation velocity fields. For the determination of solid PSC particle sizes, an efficient algorithm has been adapted. It assumes a monodisperse radii distribution and thermodynamic equilibrium between the gas phase and the solid particle phase. This scheme, though relatively simple, is shown to produce particle number densities and radii within the observed range. The combined effects of the representations of sedimentation and solid PSC particles on vertical H2O and HNO3 redistribution are investigated in a series of tests. The formation of solid PSC particles, especially of those consisting of nitric acid trihydrate, has been discussed extensively in recent years. Three particle formation schemes in accordance with the most widely used approaches have been identified and implemented. For the evaluation of PSC occurrence a new data set with unprecedented spatial and temporal coverage was available. A quantitative method for the comparison of simulation results and observations is developed and applied. It reveals that the relative PSC sighting frequency can be reproduced well with the PSC submodel whereas the detailed modelling of PSC events is beyond the scope of coarse global scale models. In addition to the development and evaluation of new PSC submodel components, parts of existing simulation programs have been improved, e.g. a method for the assimilation of meteorological analysis data in the general circulation model, the liquid PSC particle composition scheme, and the calculation of heterogeneous reaction rate coefficients. The interplay of these model components is demonstrated in a simulation of stratospheric chemistry with the coupled general circulation model. Tests against recent satellite data show that the model successfully reproduces the Antarctic ozone hole.

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.

Global scale investigation of cirrus clouds properties using active and passive sensors

A year of satellite-borne lidar CALIOP data is analyzed and statistics on occurrence and distribution of bulk properties of cirri are provided. The relationship between environmental and cloud physical parameters and the shape of the backscatter profile (BSP) is investigated. It is found that CALIOP BSP is mainly affected by cloud geometrical thickness while only minor impacts can be attributed to other quantities such as optical depth or temperature. To fit mean BSPs as functions of geometrical thickness and position within the cloud layer, polynomial functions are provided. It is demonstrated that, under realistic hypotheses, the mean BSP is linearly proportional to the IWC profile. The IWC parameterization is included into the RT-RET retrieval algorithm, that is exploited to analyze infrared radiance measurements in presence of cirrus clouds during the ECOWAR field campaign. Retrieved microphysical and optical properties of the observed cloud are used as input parameters in a forward RT simulation run over the 100-1100 cm-1 spectral interval and compared with interferometric data to test the ability of the current single scattering properties database of ice crystal to reproduce realistic optical features. Finally a global scale investigation of cirrus clouds is performed by developing a collocation algorithm that exploits satellite data from multiple sensors (AIRS, CALIOP, MODIS). The resulting data set is utilized to test a new infrared hyperspectral retrieval algorithm. Retrieval products are compared to data and in particular the cloud top height (CTH) product is considered for this purpose. A better agreement of the retrieval with the CALIOP CTH than MODIS is found, even if some cases of underestimation and overestimation are observed.

Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

THE HOLOGRAPHIC DETECTOR FOR CLOUDS FROM TRL 5 TO TRL 8

Clouds are one of the most influential elements of weather on the earth system, yet they are also one of the least understood. Understanding their composition and behavior at small scales is critical to understanding and predicting larger scale feedbacks. Currently, the best method to study clouds on the microscale is through airborne in situ measurements using optical instruments capable of resolving clouds on the individual particle level. However, current instruments are unable to sufficiently resolve the scales important to cloud evolution and behavior. The Holodec is a new generation of optical cloud instrument which uses digital inline holography to overcome many of the limitations of conventional instruments. However, its performance and reliability was limited due to several deficiencies in its original design. These deficiencies were addressed and corrected to advance the instrument from the prototype stage to an operational instrument. In addition, the processing software used to reconstruct and analyze digitally recorded holograms was improved upon to increase robustness and ease of use.