TY - THES A1 - Samaras, Stefanos T1 - Microphysical retrieval of non-spherical aerosol particles using regularized inversion of multi-wavelength lidar data T1 - Retrieval der Mikrophysik von nichtkugelförmigen Aerosolpartikeln durch regularisierte Inversion von Mehrwellenlängen-Lidardaten N2 - Numerous reports of relatively rapid climate changes over the past century make a clear case of the impact of aerosols and clouds, identified as sources of largest uncertainty in climate projections. Earth’s radiation balance is altered by aerosols depending on their size, morphology and chemical composition. Competing effects in the atmosphere can be further studied by investigating the evolution of aerosol microphysical properties, which are the focus of the present work. The aerosol size distribution, the refractive index, and the single scattering albedo are commonly used such properties linked to aerosol type, and radiative forcing. Highly advanced lidars (light detection and ranging) have reduced aerosol monitoring and optical profiling into a routine process. Lidar data have been widely used to retrieve the size distribution through the inversion of the so-called Lorenz-Mie model (LMM). This model offers a reasonable treatment for spherically approximated particles, it no longer provides, though, a viable description for other naturally occurring arbitrarily shaped particles, such as dust particles. On the other hand, non-spherical geometries as simple as spheroids reproduce certain optical properties with enhanced accuracy. Motivated by this, we adapt the LMM to accommodate the spheroid-particle approximation introducing the notion of a two-dimensional (2D) shape-size distribution. Inverting only a few optical data points to retrieve the shape-size distribution is classified as a non-linear ill-posed problem. A brief mathematical analysis is presented which reveals the inherent tendency towards highly oscillatory solutions, explores the available options for a generalized solution through regularization methods and quantifies the ill-posedness. The latter will improve our understanding on the main cause fomenting instability in the produced solution spaces. The new approach facilitates the exploitation of additional lidar data points from depolarization measurements, associated with particle non-sphericity. However, the generalization of LMM vastly increases the complexity of the problem. The underlying theory for the calculation of the involved optical cross sections (T-matrix theory) is computationally so costly, that would limit a retrieval analysis to an unpractical point. Moreover the discretization of the model equation by a 2D collocation method, proposed in this work, involves double integrations which are further time consuming. We overcome these difficulties by using precalculated databases and a sophisticated retrieval software (SphInX: Spheroidal Inversion eXperiments) especially developed for our purposes, capable of performing multiple-dataset inversions and producing a wide range of microphysical retrieval outputs. Hybrid regularization in conjunction with minimization processes is used as a basis for our algorithms. Synthetic data retrievals are performed simulating various atmospheric scenarios in order to test the efficiency of different regularization methods. The gap in contemporary literature in providing full sets of uncertainties in a wide variety of numerical instances is of major concern here. For this, the most appropriate methods are identified through a thorough analysis on an overall-behavior basis regarding accuracy and stability. The general trend of the initial size distributions is captured in our numerical experiments and the reconstruction quality depends on data error level. Moreover, the need for more or less depolarization points is explored for the first time from the point of view of the microphysical retrieval. Finally, our approach is tested in various measurement cases giving further insight for future algorithm improvements. N2 - Zahlreiche Berichte von relativ schnellen Klimaveränderungen im vergangenen Jahrhundert liefern überzeugende Argumente über die Auswirkungen von Aerosolen und Wolken auf Wetter und Klima. Aerosole und Wolken wurden als Quellen größter Unsicherheit in Klimaprognosen identifiziert. Die Strahlungsbilanz der Erde wird verändert durch die Partikelgröße, ihre Morphologie und ihre chemische Zusammensetzung. Konkurrierende Effekte in der Atmosphäre können durch die Bestimmung von mikrophysikalischen Partikeleigenschaften weiter untersucht werden, was der Fokus der vorliegenden Arbeit ist. Die Aerosolgrößenverteilung, der Brechungsindex der Partikeln und die Einzel-Streu-Albedo sind solche häufig verwendeten Parameter, die mit dem Aerosoltyp und dem Strahlungsantrieb verbunden sind. Hoch entwickelte Lidare (Light Detection and Ranging) haben die Aerosolüberwachung und die optische Profilierung zu einem Routineprozess gemacht. Lidar-Daten wurden verwendet um die Größenverteilung zu bestimmen, was durch die Inversion des sogenannten Lorenz-Mie-Modells (LMM) gelingt. Dieses Modell bietet eine angemessene Behandlung für sphärisch angenäherte Partikeln, es stellt aber keine brauchbare Beschreibung für andere natürlich auftretende beliebig geformte Partikeln -wie z.B. Staubpartikeln- bereit. Andererseits stellt die Einbeziehung einer nicht kugelförmigen Geometrie –wie z.B. einfache Sphäroide- bestimmte optische Eigenschaften mit verbesserter Genauigkeit dar. Angesichts dieser Tatsache erweitern wir das LMM durch die Approximation von Sphäroid-Partikeln. Dazu ist es notwendig den Begriff einer zweidimensionalen Größenverteilung einzuführen. Die Inversion einer sehr geringen Anzahl optischer Datenpunkte zur Bestimmung der Form der Größenverteilung ist als ein nichtlineares schlecht gestelltes Problem bekannt. Eine kurze mathematische Analyse wird vorgestellt, die die inhärente Tendenz zu stark oszillierenden Lösungen zeigt. Weiterhin werden Optionen für eine verallgemeinerte Lösung durch Regularisierungsmethoden untersucht und der Grad der Schlechtgestelltheit quantifiziert. Letzteres wird unser Verständnis für die Hauptursache der Instabilität bei den berechneten Lösungsräumen verbessern. Der neue Ansatz ermöglicht es uns, zusätzliche Lidar-Datenpunkte aus Depolarisationsmessungen zu nutzen, die sich aus der Nicht-sphärizität der Partikeln assoziieren. Die Verallgemeinerung des LMMs erhöht erheblich die Komplexität des Problems. Die zugrundeliegende Theorie für die Berechnung der beteiligten optischen Querschnitte (T-Matrix-Ansatz) ist rechnerisch so aufwendig, dass eine Neuberechnung dieser nicht sinnvoll erscheint. Darüber hinaus wird ein zweidimensionales Kollokationsverfahren für die Diskretisierung der Modellgleichung vorgeschlagen. Dieses Verfahren beinhaltet Doppelintegrationen, die wiederum zeitaufwendig sind. Wir überwinden diese Schwierigkeiten durch Verwendung vorgerechneter Datenbanken sowie einer hochentwickelten Retrieval-Software (SphInX: Spheroidal Inversion eXperiments). Diese Software wurde speziell für unseren Zweck entwickelt und ist in der Lage mehrere Datensatzinversionen gleichzeitig durchzuführen und eine große Auswahl von mikrophysikalischen Retrieval-Ausgaben bereitzustellen. Eine hybride Regularisierung in Verbindung mit einem Minimierungsverfahren wird als Grundlage für unsere Algorithmen verwendet. Synthetische Daten-Inversionen werden mit verschiedenen atmosphärischen Szenarien durchgeführt, um die Effizienz verschiedener Regularisierungsmethoden zu untersuchen. Die Lücke in der gegenwärtigen wissenschaftlichen Literatur gewisse Unsicherheiten durch breitgefächerte numerische Fälle bereitzustellen, ist ein Hauptanliegen dieser Arbeit. Motiviert davon werden die am besten geeigneten Verfahren einer gründlichen Analyse in Bezug auf ihr Gesamtverhalten, d.h. Genauigkeit und Stabilität, unterzogen. Der allgemeine Trend der Anfangsgrößenverteilung wird in unseren numerischen Experimenten erfasst. Zusätzlich hängt die Rekonstruktionsqualität vom Datenfehler ab. Darüber hinaus wird die Anzahl der notwendigen Depolarisationspunkte zum ersten Mal aus der Sicht des mikrophysikalischen Parameter-Retrievals erforscht. Abschließend verwenden wir unsere Software für verschiedene Messfälle, was weitere Einblicke für künftige Verbesserungen des Algorithmus gibt. KW - microphysics KW - retrieval KW - lidar KW - aerosols KW - regularization KW - ill-posed KW - inversion KW - Mikrophysik KW - Retrieval KW - Lidar KW - Aerosole KW - Regularisierung KW - schlecht gestellt KW - Inversion Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396528 ER - TY - JOUR A1 - Ritter, Christoph A1 - Ángeles Burgos, María A1 - Böckmann, Christine A1 - Mateos, David A1 - Lisok, Justyna A1 - Markowicz, Krzysztof M. A1 - Moroni, Beatrice A1 - Cappelletti, David A1 - Udisti, Roberto A1 - Maturilli, Marion A1 - Neuber, Roland T1 - Microphysical properties and radiative impact of an intense biomass burning aerosol event measured over Ny-angstrom lesund, Spitsbergen in July 2015 JF - Tellus - Series B, Chemical and Physical Meteorology N2 - In this work, an evaluation of an intense biomass burning event observed over Ny-angstrom lesund (Spitsbergen, European Arctic) in July 2015 is presented. Data from the multi-wavelengths Raman-lidar KARL, a sun photometer and radiosonde measurements are used to derive some microphysical properties of the biomass burning aerosol as size distribution, refractive index and single scattering albedo at different relative humidities. Predominantly particles in the accumulation mode have been found with a bi-modal distribution and dominance of the smaller mode. Above 80% relative humidity, hygroscopic growth in terms of an increase of particle diameter and a slight decrease of the index of refraction (real and imaginary part) has been found. Values of the single scattering albedo around 0.9 both at 355nm and 532nm indicate some absorption by the aerosol. Values of the lidar ratio are around 26sr for 355nm and around 50sr for 532nm, almost independent of the relative humidity. Further, data from the photometer and surface radiation values from the local baseline surface radiation network (BSRN) have been applied to derive the radiative impact of the biomass burning event purely from observational data by comparison with a clear background day. We found a strong cooling for the visible radiation and a slight warming in the infra-red. The net aerosol forcing, derived by comparison with a clear background day purely from observational data, obtained a value of -95 W/m(2) per unit AOD500. KW - aerosol KW - lidar KW - retrieval of aerosol properties KW - radiative forcing KW - Arctic aerosol Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1080/16000889.2018.1539618 SN - 1600-0889 VL - 70 PB - Routledge, Taylor & Francis Group CY - Abingdon ER - TY - GEN A1 - Rheinwalt, Aljoscha A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Network-based flow accumulation for point clouds BT - Facet-Flow Networks (FFN) T2 - Remote Sensing for Agriculture, Ecosystems, and Hydrology XX N2 - Point clouds provide high-resolution topographic data which is often classified into bare-earth, vegetation, and building points and then filtered and aggregated to gridded Digital Elevation Models (DEMs) or Digital Terrain Models (DTMs). Based on these equally-spaced grids flow-accumulation algorithms are applied to describe the hydrologic and geomorphologic mass transport on the surface. In this contribution, we propose a stochastic point-cloud filtering that, together with a spatial bootstrap sampling, allows for a flow accumulation directly on point clouds using Facet-Flow Networks (FFN). Additionally, this provides a framework for the quantification of uncertainties in point-cloud derived metrics such as Specific Catchment Area (SCA) even though the flow accumulation itself is deterministic. KW - lidar KW - point clouds KW - stochastic filtering KW - flow accumulation KW - drainage networks KW - uncertainty quantification KW - TIN KW - DEM Y1 - 2018 SN - 978-1-5106-2150-3 U6 - https://doi.org/10.1117/12.2318424 SN - 0277-786X SN - 1996-756X VL - 10783 PB - SPIE-INT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers CY - Bellingham ER - TY - JOUR A1 - Rheinwahlt, Aljoscha A1 - Goswami, Bedartha A1 - Bookhagen, Bodo T1 - A network-based flow accumulation algorithm for point clouds BT - Facet-Flow Networks (FFNs) JF - Journal of geophysical research : Earth surface N2 - Flow accumulation algorithms estimate the steady state of flow on real or modeled topographic surfaces and are crucial for hydrological and geomorphological assessments, including delineation of river networks, drainage basins, and sediment transport processes. Existing flow accumulation algorithms are typically designed to compute flows on regular grids and are not directly applicable to arbitrarily sampled topographic data such as lidar point clouds. In this study we present a random sampling scheme that generates homogeneous point densities, in combination with a novel flow path tracing approach-the Facet-Flow Network (FFN)-that estimates flow accumulation in terms of specific catchment area (SCA) on triangulated surfaces. The random sampling minimizes biases due to spatial sampling and the FFN allows for direct flow estimation from point clouds. We validate our approach on a Gaussian hill surface and study the convergence of its SCA compared to the analytical solution. Here, our algorithm outperforms the multiple flow direction algorithm, which is optimized for divergent surfaces. We also compute the SCA of a 6-km(2)-steep, vegetated catchment on Santa Cruz Island, California, based on airborne lidar point-cloud data. Point-cloud-based SCA values estimated by our method compare well with those estimated by the D-infinity or multiple flow direction algorithm on gridded data. The advantage of computing SCA from point clouds becomes relevant especially for divergent topography and for small drainage areas: These are depicted with much more detail due to the higher sampling density of point clouds. KW - point clouds KW - drainage networks KW - lidar KW - tin KW - surface runoff KW - spatial sampling Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1029/2018JF004827 SN - 2169-9003 SN - 2169-9011 VL - 124 IS - 7 SP - 2013 EP - 2033 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Nakoudi, Konstantina A1 - Ritter, Christoph A1 - Stachlewska, Iwona Sylwia T1 - Properties of cirrus clouds over the European Arctic (Ny-Alesund, Svalbard) JF - Remote sensing / Molecular Diversity Preservation International (MDPI) N2 - Cirrus is the only cloud type capable of inducing daytime cooling or heating at the top of the atmosphere (TOA) and the sign of its radiative effect highly depends on its optical depth. However, the investigation of its geometrical and optical properties over the Arctic is limited. In this work the long-term properties of cirrus clouds are explored for the first time over an Arctic site (Ny-Alesund, Svalbard) using lidar and radiosonde measurements from 2011 to 2020. The optical properties were quality assured, taking into account the effects of specular reflections and multiple-scattering. Cirrus clouds were generally associated with colder and calmer wind conditions compared to the 2011-2020 climatology. However, the dependence of cirrus properties on temperature and wind speed was not strong. Even though the seasonal cycle was not pronounced, the winter-time cirrus appeared under lower temperatures and stronger wind conditions. Moreover, in winter, geometrically- and optically-thicker cirrus were found and their ice particles tended to be more spherical. The majority of cirrus was associated with westerly flow and westerly cirrus tended to be geometrically-thicker. Overall, optically-thinner layers tended to comprise smaller and less spherical ice crystals, most likely due to reduced water vapor deposition on the particle surface. Compared to lower latitudes, the cirrus layers over Ny-Alesund were more absorbing in the visible spectral region and they consisted of more spherical ice particles. KW - Arctic clouds KW - cirrus clouds KW - ice clouds KW - lidar Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/rs13224555 SN - 2072-4292 VL - 13 IS - 22 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Nakoudi, Konstantina T1 - Properties and radiative effect of aerosol and cirrus clouds over the European Arctic T1 - Eigenschaften und Strahlungseffekt von Aerosol und Zirruswolken über der europäischen Arktis N2 - Over the last decades, the rate of near-surface warming in the Arctic is at least double than elsewhere on our planet (Arctic amplification). However, the relative contribution of different feedback processes to Arctic amplification is a topic of ongoing research, including the role of aerosol and clouds. Lidar systems are well-suited for the investigation of aerosol and optically-thin clouds as they provide vertically-resolved information on fine temporal scales. Global aerosol models fail to converge on the sign of the Arctic aerosol radiative effect (ARE). In the first part of this work, the optical and microphysical properties of Arctic aerosol were characterized at case study level in order to assess the short-wave (SW) ARE. A long-range transport episode was first investigated. Geometrically similar aerosol layers were captured over three locations. Although the aerosol size distribution was different between Fram Strait(bi-modal) and Ny-Ålesund (fine mono-modal), the atmospheric column ARE was similar. The latter was related to the domination of accumulation mode aerosol. Over both locations top of the atmosphere (TOA) warming was accompanied by surface cooling. Subsequently, the sensitivity of ARE was investigated with respect to different aerosol and spring-time ambient conditions. A 10% change in the single-scattering albedo (SSA) induced higher ARE perturbations compared to a 30% change in the aerosol extinction coefficient. With respect to ambient conditions, the ARETOA was more sensitive to solar elevation changes compared to AREsur f ace. Over dark surfaces the ARE profile was exclusively negative, while over bright surfaces a negative to positive shift occurred above the aerosol layers. Consequently, the sign of ARE can be highly sensitive in spring since this season is characterized by transitional surface albedo conditions. As the inversion of the aerosol microphysics is an ill-posed problem, the inferred aerosol size distribution of a low-tropospheric event was compared to the in-situ measured distribution. Both techniques revealed a bi-modal distribution, with good agreement in the total volume concentration. However, in terms of SSA a disagreement was found, with the lidar inversion indicating highly scattering particles and the in-situ measurements pointing to absorbing particles. The discrepancies could stem from assumptions in the inversion (e.g. wavelength-independent refractive index) and errors in the conversion of the in-situ measured light attenuation into absorption. Another source of discrepancy might be related to an incomplete capture of fine particles in the in-situ sensors. The disagreement in the most critical parameter for the Arctic ARE necessitates further exploration in the frame of aerosol closure experiments. Care must be taken in ARE modelling studies, which may use either the in-situ or lidar-derived SSA as input. Reliable characterization of cirrus geometrical and optical properties is necessary for improving their radiative estimates. In this respect, the detection of sub-visible cirrus is of special importance. The total cloud radiative effect (CRE) can be negatively biased, should only the optically-thin and opaque cirrus contributions are considered. To this end, a cirrus retrieval scheme was developed aiming at increased sensitivity to thin clouds. The cirrus detection was based on the wavelet covariance transform (WCT) method, extended by dynamic thresholds. The dynamic WCT exhibited high sensitivity to faint and thin cirrus layers (less than 200 m) that were partly or completely undetected by the existing static method. The optical characterization scheme extended the Klett–Fernald retrieval by an iterative lidar ratio (LR) determination (constrained Klett). The iterative process was constrained by a reference value, which indicated the aerosol concentration beneath the cirrus cloud. Contrary to existing approaches, the aerosol-free assumption was not adopted, but the aerosol conditions were approximated by an initial guess. The inherent uncertainties of the constrained Klett were higher for optically-thinner cirrus, but an overall good agreement was found with two established retrievals. Additionally, existing approaches, which rely on aerosol-free assumptions, presented increased accuracy when the proposed reference value was adopted. The constrained Klett retrieved reliably the optical properties in all cirrus regimes, including upper sub-visible cirrus with COD down to 0.02. Cirrus is the only cloud type capable of inducing TOA cooling or heating at daytime. Over the Arctic, however, the properties and CRE of cirrus are under-explored. In the final part of this work, long-term cirrus geometrical and optical properties were investigated for the first time over an Arctic site (Ny-Ålesund). To this end, the newly developed retrieval scheme was employed. Cirrus layers over Ny-Ålesund seemed to be more absorbing in the visible spectral region compared to lower latitudes and comprise relatively more spherical ice particles. Such meridional differences could be related to discrepancies in absolute humidity and ice nucleation mechanisms. The COD tended to decline for less spherical and smaller ice particles probably due to reduced water vapor deposition on the particle surface. The cirrus optical properties presented weak dependence on ambient temperature and wind conditions. Over the 10 years of the analysis, no clear temporal trend was found and the seasonal cycle was not pronounced. However, winter cirrus appeared under colder conditions and stronger winds. Moreover, they were optically-thicker, less absorbing and consisted of relatively more spherical ice particles. A positive CREnet was primarily revealed for a broad range of representative cloud properties and ambient conditions. Only for high COD (above 10) and over tundra a negative CREnet was estimated, which did not hold true over snow/ice surfaces. Consequently, the COD in combination with the surface albedo seem to play the most critical role in determining the CRE sign over the high European Arctic. N2 - Seit den letzten Jahrzehnten erwärmt sich die arktische, oberflächennahe Luft mindestens doppelt so schnell, wie anderswo auf unserem Planeten (arktische Verstärkung). Der relative Beitrag verschiedener Rückkopplungsprozesse zu dieser arktischen Verstärkung ist ein Thema laufender Forschung, einschließlich der Rolle von Aerosol und Wolken. Lidarsysteme eignen sich gut zur Untersuchung von Aerosolen und optisch dünnen Wolken, da sie vertikal aufgelöste Informationen auf kurzen Zeitskalen liefern. Globale Aerosolmodelle können das Vorzeichen des Aerosolstrahlungseffekts (ARE) in der Arktis nicht erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit, wurden die optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften des arktischen Aerosols auf Fallstudienebene charakterisiert, um das kurzwellige ARE zu bestimmen. Ein Ferntransportereignis von Aerosol wurde zuerst untersucht. An drei Standorten wurden geometrisch ähnliche Aerosolschichten erfasst. Obwohl die Aerosolgrößenverteilung zwischen der Framstraße (bimodal) und Ny-Ålesund (monomodal im Akkumulationsmode) unterschiedlich war, ergaben sich ähnliche Werte für das ARE in der atmosphärische Säule. Letzteres hängt mit der Dominanz des Akkumulationsmodus-Aerosols zusammen. Über beiden Standorten ergab sich am Oberrand der Atmosphäre (TOA) eine Erwärmung; diese wurde von einer Oberflächenkühlung begleitet. Anschließend wurde die Abhängigkeit der ARE in Bezug auf verschiedene Aerosole und Umgebungsbedingungen im Frühling untersucht. Eine Änderung der Einfachstreualbedo (SSA) um 10% induzierte höhere ARE-Änderungen im Vergleich zu einer 30%igen Änderung des Aerosol-Extinktionskoeffizienten. In Bezug auf die Umgebungsbedingungen war die TOAARE im Vergleich zur Oberflächen-ARE empfindlicher gegenüber Änderungen der Sonnenhöhe. Über dunklen Oberflächen war das ARE-Profil ausschließlich negativ, während über hellen Oberflächen oberhalb der Aerosolschichten eine Verschiebung von negativen zu positiven Werten auftrat. Entsprechend ist das Vorzeichen der ARE im Frühjahr hochempfindlich, da diese Jahreszeit durch starke Änderung der Oberflächenalbedo gekennzeichnet ist. Da die Inversion der Aerosolmikrophysik aus optischen Daten ein schlecht-gestelltes Problem ist, wurde die abgeleitete Aerosolgrößenverteilung eines Aerosol-Ereignisses in der niederen Troposphäre mit der einer aus in situ Verfahren abgeleiteten Verteilung verglichen. Beide Techniken ergaben zwei Aerosolmodi mit guter Übereinstimmung in Bezug auf die Gesamtvolumenkonzentration. In Bezug auf die SSA wurde jedoch ein Unterscied festgestellt, wobei die Lidarinversion auf stark streuende Partikel und die in-situ Messungen auf absorbierende Partikel hinwiesen. Die Abweichungen könnten auf Annahmen bei der Inversion (z.B. wellenlängenunabhängiger Brechungsindex) und auf Fehler bei der Umrechnung der in-situ gemessenen Lichtdämpfung in Absorption zurückzuführen sein. Eine weitere Ursache der Diskrepanz könnte auf eine unvollständige Erfassung von Feinpartikeln in den insitu-Sensoren zurückzuführen sein. Die Unstimmigkeit über diesen wichtigsten Parameter für die arktische ARE macht weitere Untersuchungen im Rahmen von Aerosolschließungsexperimenten erforderlich. Vorsicht ist bei der ARE-aus Modellierungsstudien geboten, bei denen entweder in-situ- oder lidar-abgeleitete SSA als Input verwendet werden. Eine zuverlässige Charakterisierung von Zirruswolken ist erforderlich, um die Abschätzung ihrer Strahlungswirkung zu verbessern. Von besonderer Bedeutung ist dabei der Nachweis von sub-visible Zirrus. Der Wolkenstrahlungseffekt (CRE) fällt zu negativ aus, wenn nur der optisch dünne und opake Zirrus berücksichtigt werden. Daher wurde ein ZirrusErkennungsschema basierend auf Lidardaten entwickelt. Das Schema verwendet die Wavelet– Kovarianz–Transformation (WCT), erweitert um dynamische Schwellenwerte. Die dynamische WCT zeigte eine hohe Empfindlichkeit gegenüber schwachen und dünnen Zirrusschichten von weniger als 200 m Mächtigkeit. Das optische Charakterisierungsschema erweiterte die Klett–Fernald–Retrieval durch iterative Lidar-Ratio (LR) Bestimmung (constrained Klett). Der iterative Prozess wurde durch einen Referenzwert eingeschränkt, der die Aerosolkonzentration unterhalb der Zirruswolke angab. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen brauchte keine Aerosolfreiheit angenommen zu werden. Stattdessen wurden realistischere Annahmen unter der Wolke verwendet. Die inhärenten Unsicherheiten des eingeschränkten Kletts waren bei optisch dünneren Zirren höher, aber insgesamt wurde eine gute Übereinstimmung mit zwei etablierten Retrievals gefunden. Darüber hinaus konnten die bestehenden Ansätze, die auf aerosolfreien Annahmen beruhen, ebenfalls verbessert werden, wenn der vorgeschlagene Referenzwert verwendet wurde. Der constrained Klett konnte die optischen Eigenschaften in allen Zirrusregimen zuverlässig abrufen, einschliesslich der oberen sub-visible Zirren mit COD bis hinunter zu 0,02. Zirrus ist die einzige Wolkengattung, die tagsüber am Atmosphärenoberrand entweder eine Kühlung oder eine Erwärmung hervorrufen kann. Über der Arktis sind die Eigenschaften und das CRE von Zirrus bislang nur wenig erforscht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden erstmals mit dem neuentwickelten Retrieval-Schema deren langfristige geometrische und optische Eigenschaften an einem arktischen Standort untersucht. Zirruswolken über Ny-Ålesund schienen im sichtbaren Spektralbereich absorbierender zu sein als in den niedrigen Breiten und mehr kugelförmige Eispartikel zu enthalten. Solche meridididialen Unterschiede könnten mit Diskrepanzen der absoluten Luftfeuchtigkeit und der Eiskeimbildung zusammenhängen. Tendenziell sank die COD bei weniger kugelförmigen und kleineren Eispartikeln, was wahrscheinlich auf eine geringere Wasserdampfablagerung an der Partikeloberfläche zurückzuführen ist. Die optischen Eigenschaften des Zirrus zeigten eine geringe Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Windbedingungen. In den 10 Jahren der Analyse konnte kein eindeutiger zeitlicher Trend und kein ausgeprägter saisonaler Zyklus festgestellt werden. Ein positives netto-CRE wurde für ein breites Spektrum von repräsentative Wolkeneigenschaften und Umgebungsbedingungen festgestellt. Für hohe COD (über 10) wurde jedoch ein negatives netto-CRE über der Tundra ermittelt, im Gegensatz zu Schnee- / Eisoberflächen. Folglich scheint die COD in Verbindung mit der Oberflächenalbedo die kritischste Rolle bei der Bestimmung des CRE über der hohen europäischen Arktis zu spielen. KW - aerosol KW - clouds KW - cirrus clouds KW - European Arctic KW - lidar KW - radiative transfer modeling KW - Europäische Arktis KW - Aerosol KW - Zirruswolken KW - Wolken KW - Lidar KW - Strahlungtransportmodellierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-530366 ER - TY - THES A1 - Lampert, Astrid T1 - Airborne lidar observations of tropospheric arctic clouds T1 - Flugzeuggetragene Lidar-Beobachtung von troposphärischen arktischen Wolken N2 - Due to the unique environmental conditions and different feedback mechanisms, the Arctic region is especially sensitive to climate changes. The influence of clouds on the radiation budget is substantial, but difficult to quantify and parameterize in models. In the framework of the PhD, elastic backscatter and depolarization lidar observations of Arctic clouds were performed during the international Arctic Study of Tropospheric Aerosol, Clouds and Radiation (ASTAR) from Svalbard in March and April 2007. Clouds were probed above the inaccessible Arctic Ocean with a combination of airborne instruments: The Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) of the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research provided information on the vertical and horizontal extent of clouds along the flight track, optical properties (backscatter coefficient), and cloud thermodynamic phase. From the data obtained by the spectral albedometer (University of Mainz), the cloud phase and cloud optical thickness was deduced. Furthermore, in situ observations with the Polar Nephelometer, Cloud Particle Imager and Forward Scattering Spectrometer Probe (Laboratoire de Météorologie Physique, France) provided information on the microphysical properties, cloud particle size and shape, concentration, extinction, liquid and ice water content. In the thesis, a data set of four flights is analyzed and interpreted. The lidar observations served to detect atmospheric structures of interest, which were then probed by in situ technique. With this method, an optically subvisible ice cloud was characterized by the ensemble of instruments (10 April 2007). Radiative transfer simulations based on the lidar, radiation and in situ measurements allowed the calculation of the cloud forcing, amounting to -0.4 W m-2. This slight surface cooling is negligible on a local scale. However, thin Arctic clouds have been reported more frequently in winter time, when the clouds' effect on longwave radiation (a surface warming of 2.8 W m-2) is not balanced by the reduced shortwave radiation (surface cooling). Boundary layer mixed-phase clouds were analyzed for two days (8 and 9 April 2007). The typical structure consisting of a predominantly liquid water layer on cloud top and ice crystals below were confirmed by all instruments. The lidar observations were compared to European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) meteorological analyses. A change of air masses along the flight track was evidenced in the airborne data by a small completely glaciated cloud part within the mixed-phase cloud system. This indicates that the updraft necessary for the formation of new cloud droplets at cloud top is disturbed by the mixing processes. The measurements served to quantify the shortcomings of the ECMWF model to describe mixed-phase clouds. As the partitioning of cloud condensate into liquid and ice water is done by a diagnostic equation based on temperature, the cloud structures consisting of a liquid cloud top layer and ice below could not be reproduced correctly. A small amount of liquid water was calculated for the lowest (and warmest) part of the cloud only. Further, the liquid water content was underestimated by an order of magnitude compared to in situ observations. The airborne lidar observations of 9 April 2007 were compared to space borne lidar data on board of the satellite Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO). The systems agreed about the increase of cloud top height along the same flight track. However, during the time delay of 1 h between the lidar measurements, advection and cloud processing took place, and a detailed comparison of small-scale cloud structures was not possible. A double layer cloud at an altitude of 4 km was observed with lidar at the West coast in the direct vicinity of Svalbard (14 April 2007). The cloud system consisted of two geometrically thin liquid cloud layers (each 150 m thick) with ice below each layer. While the upper one was possibly formed by orographic lifting under the influence of westerly winds, or by the vertical wind shear shown by ECMWF analyses, the lower one might be the result of evaporating precipitation out of the upper layer. The existence of ice precipitation between the two layers supports the hypothesis that humidity released from evaporating precipitation was cooled and consequently condensed as it experienced the radiative cooling from the upper layer. In summary, a unique data set characterizing tropospheric Arctic clouds was collected with lidar, in situ and radiation instruments. The joint evaluation with meteorological analyses allowed a detailed insight in cloud properties, cloud evolution processes and radiative effects. N2 - Die Arktis mit ihren speziellen Umweltbedingungen ist besonders empfindlich gegenüber Klimaveränderungen. Dabei spielen Wolken eine große Rolle im Strahlungsgleichgewicht, die aber nur schwer genau bestimmt und in Klimamodellen dargestellt werden kann. Die Daten für die Promotionsarbeit wurden im Frühjahr 2007 bei Flugzeug-Messungen von Wolken über dem Arktischen Ozean von Spitzbergen aus erhoben. Das dafür verwendete Lidar (Licht-Radar) des Alfred-Wegener-Instituts lieferte ein höhenaufgelöstes Bild der Wolkenstrukturen und ihrer Streu-Eigenschaften, andere Messgeräte ergänzten optische sowie mikrophysikalische Eigenschaften der Wolkenteilchen (Extinktion, Größenverteilung, Form, Konzentration, Flüssigwasser- und Eisgehalt, Messgeräte vom Laboratoire de Météorologie Physique, France) und Strahlungsmessungen (Uni Mainz). Während der Messkampagne herrschte Nordwind vor. Die untersuchten Luftmassen mit Ursprung fern von menschlichen Verschmutzungsquellen war daher sehr sauber. Beim Überströmen der kalten Luft über den offenen warmen Arktischen Ozean bildeten sich in der Grenzschicht (ca. 0-1500 m Höhe) Mischphasenwolken, die aus unterkühlten Wassertröpfchen im oberen Bereich und Eis im unteren Bereich der Wolken bestehen. Mit den Flugzeug-Messungen und numerischen Simulationen des Strahlungstransports wurde der Effekt einer dünnen Eiswolke auf den Strahlungshaushalt bestimmt. Die Wolke hatte lokal eine geringe Abkühlung der Erdoberfläche zur Folge. Ähnliche Wolken würden jedoch im Winter, wenn keine Sonnenstrahlung die Arktis erreicht, durch den Treibhauseffekt eine nicht vernachlässigbare Erwärmung der Oberfläche verursachen. Die Messungen der Mischphasenwolken wurden mit einem Wettervorhersagemodell (ECMWF) verglichen. Für die ständig neue Bildung von flüssigen Wassertropfen im oberen Teil der Wolke ist das Aufsteigen von feuchten Luftpaketen nötig. Während einer Messung wurden entlang der Flugstrecke verschiedene Luftmassen durchflogen. An der Luftmassengrenze wurde eine reine Eiswolke inmitten eines Mischphasen-Systems beobachtet. Die Messungen zeigen, dass das Mischen von Luftmassen den Nachschub an feuchter Luft blockiert, was unmittelbare Auswirkungen auf die thermodynamische Phase des Wolkenwassers hat. Weiterhin wurde bestimmt, wie groß die Abweichungen der Modellrechnungen von den Messungen bezüglich Wassergehalt und der Verteilung von Flüssigwasser und Eis waren. Durch die vereinfachte Wolken-Parameterisierung wurde die typische vertikale Struktur von Mischphasenwolken im Modell nicht wiedergegeben. Die flugzeuggetragenen Lidar-Messungen vom 9. April 2007 wurden mit Lidar-Messungen an Bord des Satelliten CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) verglichen. Die Messungen zeigten beide eine ansteigende Wolkenobergrenze entlang desselben Flugwegs. Da die Messungen jedoch nicht genau gleichzeitig durchgeführt wurden, war wegen Advektion und Prozessen in den Wolken kein genauer Vergleich der kleinskaligen Wolkenstrukturen möglich. Außerdem wurde eine doppelte Wolkenschicht in der freien Troposphäre (4 km Höhe) analysiert. Die Wolke bestand aus zwei separaten dünnen Schichten aus flüssigem Wasser (je 150 m dick) mit jeweils Eis darunter. Die untere Schicht entstand wahrscheinlich aus verdunstetem Eis-Niederschlag. Diese feuchte Schicht wurde durch die Abstrahlung der oberen Wolkenschicht gekühlt, so dass sie wieder kondensierte. Solche Wolkenformationen sind in der Arktis bisher vor allem in der Grenzschicht bekannt. Ein einzigartiger Datensatz von arktischen Wolken wurde mit einer Kombination verschiedener Flugzeug-Messgeräte erhoben. Zusammen mit meteorologischen Analysen konnten für verschiedene Fallstudien Wolkeneigenschaften, Entwicklungsprozesse und Auswirkungen auf den Strahlungshaushalt bestimmt werden. KW - Arktis KW - Lidar KW - Mischphasenwolken KW - optisch dünne Wolken KW - CALIPSO KW - Arctic KW - lidar KW - mixed-phase clouds KW - optically thin clouds KW - CALIPSO Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41211 ER - TY - JOUR A1 - Grieve, Stuart W. D. A1 - Hales, Tristram C. A1 - Parker, Robert N. A1 - Mudd, Simon M. A1 - Clubb, Fiona J. T1 - Controls on Zero-Order Basin Morphology JF - Journal of geophysical research : Earth surface N2 - Zero-order basins are common features of soil-mantled landscapes, defined as unchanneled basins at the head of a drainage network. Their geometry and volume control how quickly sediment may reaccumulate after landslide evacuation and, more broadly, zero order basins govern the movement of water and sediment from hillslopes to the fluvial network. They also deliver water and sediment to the uppermost portions of the fluvial network. Despite this role as the moderator between hillslope and fluvial processes, little analysis on their morphology has been conducted at the landscape scale. We present a method to identify zero-order basins in landscapes and subsequently quantify their geometric properties using elliptical Fourier analysis. We deploy this method across the Coweeta Hydrologic Laboratory, USA. Properties such as length, relief, width, and concavity follow distinct probability distributions, which may serve as a basis for testing predictions of future landscape evolution models. Surprisingly, in a landscape with an orographic precipitation gradient and large hillslope to channel relief, we observe no correlation between elevation or spatial location and basin geometry. However, we find that two physiographic units in Coweeta have distinct zero-order basin morphologies. These are the steep, thin soiled, high-elevation Nantahala Escarpment and the lower-gradient, lower-elevation, thick soiled remainder of the basin. Our results indicate that basin slope and area negatively covary, producing the distinct forms observed between the two physiographic units, which we suggest arise through competition between spatially variable soil creep and stochastic landsliding. KW - zero-order basin KW - landslide KW - hillslope geomorphology KW - landscape evolution modeling KW - lidar KW - hillslope sediment transport Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1029/2017JF004453 SN - 2169-9003 SN - 2169-9011 VL - 123 IS - 12 SP - 3269 EP - 3291 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Dube, Jonas A1 - Böckmann, Christine A1 - Ritter, Christoph T1 - Lidar-Derived Aerosol Properties from Ny-Ålesund, Svalbard during the MOSAiC Spring 2020 JF - Remote sensing / Molecular Diversity Preservation International (MDPI) N2 - In this work, we present Raman lidar data (from a Nd:YAG operating at 355 nm, 532 nm and 1064 nm) from the international research village Ny-Alesund for the time period of January to April 2020 during the Arctic haze season of the MOSAiC winter. We present values of the aerosol backscatter, the lidar ratio and the backscatter Angstrom exponent, though the latter depends on wavelength. The aerosol polarization was generally below 2%, indicating mostly spherical particles. We observed that events with high backscatter and high lidar ratio did not coincide. In fact, the highest lidar ratios (LR > 75 sr at 532 nm) were already found by January and may have been caused by hygroscopic growth, rather than by advection of more continental aerosol. Further, we performed an inversion of the lidar data to retrieve a refractive index and a size distribution of the aerosol. Our results suggest that in the free troposphere (above approximate to 2500 m) the aerosol size distribution is quite constant in time, with dominance of small particles with a modal radius well below 100 nm. On the contrary, below approximate to 2000 m in altitude, we frequently found gradients in aerosol backscatter and even size distribution, sometimes in accordance with gradients of wind speed, humidity or elevated temperature inversions, as if the aerosol was strongly modified by vertical displacement in what we call the "mechanical boundary layer". Finally, we present an indication that additional meteorological soundings during MOSAiC campaign did not necessarily improve the fidelity of air backtrajectories. KW - aerosol KW - Arctic haze KW - lidar KW - microphysical properties KW - backtrajectories; KW - Ny-Alesund KW - Svalbard KW - MOSAiC KW - aerosol-boundary layer interactions Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/rs14112578 SN - 2072-4292 VL - 14 IS - 11 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Atmani, Farid A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Smith, Taylor T1 - Measuring Vegetation Heights and Their Seasonal Changes in the Western Namibian Savanna Using Spaceborne Lidars T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2 (ICESat-2) with its land and vegetation height data product (ATL08), and Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) with its terrain elevation and height metrics data product (GEDI Level 2A) missions have great potential to globally map ground and canopy heights. Canopy height is a key factor in estimating above-ground biomass and its seasonal changes; these satellite missions can also improve estimated above-ground carbon stocks. This study presents a novel Sparse Vegetation Detection Algorithm (SVDA) which uses ICESat-2 (ATL03, geolocated photons) data to map tree and vegetation heights in a sparsely vegetated savanna ecosystem. The SVDA consists of three main steps: First, noise photons are filtered using the signal confidence flag from ATL03 data and local point statistics. Second, we classify ground photons based on photon height percentiles. Third, tree and grass photons are classified based on the number of neighbors. We validated tree heights with field measurements (n = 55), finding a root-mean-square error (RMSE) of 1.82 m using SVDA, GEDI Level 2A (Geolocated Elevation and Height Metrics product): 1.33 m, and ATL08: 5.59 m. Our results indicate that the SVDA is effective in identifying canopy photons in savanna ecosystems, where ATL08 performs poorly. We further identify seasonal vegetation height changes with an emphasis on vegetation below 3 m; widespread height changes in this class from two wet-dry cycles show maximum seasonal changes of 1 m, possibly related to seasonal grass-height differences. Our study shows the difficulties of vegetation measurements in savanna ecosystems but provides the first estimates of seasonal biomass changes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1275 KW - ICESat-2 KW - GEDI KW - canopy height KW - lidar KW - savanna Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569915 SN - 1866-8372 IS - 1275 ER -