TY  - THES
A1  - Hoffmann, Anne
T1  - Comparative aerosol studies based on multi-wavelength Raman LIDAR at Ny-Ålesund, Spitsbergen
T1  - Vergleichende Aerosolstudien mittels Mehrwellenlängen-Raman-LIDAR in Ny-Ålesund,Spitzbergen
N2  - The Arctic is a particularly sensitive area with respect to climate change due to the high surface albedo of snow and ice and the extreme radiative conditions. Clouds and aerosols as parts of the Arctic atmosphere play an important role in the radiation budget, which is, as yet, poorly quantified and understood. The LIDAR (Light Detection And Ranging) measurements presented in this PhD thesis contribute with continuous altitude resolved aerosol profiles to the understanding of occurrence and characteristics of aerosol layers above Ny-Ålesund, Spitsbergen. The attention was turned to the analysis of periods with high aerosol load. As the Arctic spring troposphere exhibits maximum aerosol optical depths (AODs) each year, March and April of both the years 2007 and 2009 were analyzed. Furthermore, stratospheric aerosol layers of volcanic origin were analyzed for several months, subsequently to the eruptions of the Kasatochi and Sarychev volcanoes in summer 2008 and 2009, respectively. The Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL) is an instrument for the active remote sensing of atmospheric parameters using pulsed laser radiation. It is operated at the AWIPEV research base and was fundamentally upgraded within the framework of this PhD project. It is now equipped with a new telescope mirror and new detection optics, which facilitate atmospheric profiling from 450m above sea level up to the mid-stratosphere. KARL provides highly resolved profiles of the scattering characteristics of aerosol and cloud particles (backscattering, extinction and depolarization) as well as water vapor profiles within the lower troposphere. Combination of KARL data with data from other instruments on site, namely radiosondes, sun photometer, Micro Pulse LIDAR, and tethersonde system, resulted in a comprehensive data set of scattering phenomena in the Arctic atmosphere. The two spring periods March and April 2007 and 2009 were at first analyzed based on meteorological parameters, like local temperature and relative humidity profiles as well as large scale pressure patterns and air mass origin regions. Here, it was not possible to find a clear correlation between enhanced AOD and air mass origin. However, in a comparison of two cloud free periods in March 2007 and April 2009, large AOD values in 2009 coincided with air mass transport through the central Arctic. This suggests the occurrence of aerosol transformation processes during the aerosol transport to Ny-Ålesund. Measurements on 4 April 2009 revealed maximum AOD values of up to 0.12 and aerosol size distributions changing with altitude. This and other performed case studies suggest the differentiation between three aerosol event types and their origin: Vertically limited aerosol layers in dry air, highly variable hygroscopic boundary layer aerosols and enhanced aerosol load across wide portions of the troposphere. For the spring period 2007, the available KARL data were statistically analyzed using a characterization scheme, which is based on optical characteristics of the scattering particles. The scheme was validated using several case studies. Volcanic eruptions in the northern hemisphere in August 2008 and June 2009 arose the opportunity to analyze volcanic aerosol layers within the stratosphere. The rate of stratospheric AOD change was similar within both years with maximum values above 0.1 about three to five weeks after the respective eruption. In both years, the stratospheric AOD persisted at higher rates than usual until the measurements were stopped in late September due to technical reasons. In 2008, up to three aerosol layers were detected, the layer structure in 2009 was characterized by up to six distinct and thin layers which smeared out to one broad layer after about two months. The lowermost aerosol layer was continuously detected at the tropopause altitude. Three case studies were performed, all revealed rather large indices of refraction of m = (1.53–1.55) - 0.02i, suggesting the presence of an absorbing carbonaceous component. The particle radius, derived with inversion calculations, was also similar in both years with values ranging from 0.16 to 0.19 μm. However, in 2009, a second mode in the size distribution was detected at about 0.5 μm. The long term measurements with the Koldewey Aerosol Raman LIDAR in Ny-Ålesund provide the opportunity to study Arctic aerosols in the troposphere and the stratosphere not only in case studies but on longer time scales. In this PhD thesis, both, tropospheric aerosols in the Arctic spring and stratospheric aerosols following volcanic eruptions have been described qualitatively and quantitatively. Case studies and comparative studies with data of other instruments on site allowed for the analysis of microphysical aerosol characteristics and their temporal evolution.
N2  - Die Arktis ist ein bezüglich Klimaveränderungen besonders sensitives Gebiet, d.h. die globale Erwärmung wirkt sich aufgrund der saisonal hochvariablen Strahlungsbedingungen und der Bodenalbedo dort verstärkt aus.Wolken und Aerosole als Bestandteile der arktischen Atmosphäre spielen dabei eine besondere Rolle im Strahlungsgleichgewicht. Die vorliegende Promotionsarbeit leistet mit Hilfe von LIDAR-Messungen (Light Detection and Ranging) einen Beitrag zum Verständnis von Vorkommen und Eigenschaften von Aerosolschichten über Ny-Ålesund, Spitzbergen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Analyse von Zeiträumen mit erhöhter Aerosolbelastung. Es wurde zum einen die arktische Troposphäre zweier Frühjahre (März und April der Jahre 2007 und 2009) untersucht, da im Frühjahr die Aerosol-optische Dicke (AOD) in der Arktis Maximalwerte erreicht. Zum anderen wurden stratosphärische Aerosolschichten vulkanischen Ursprungs analysiert, die in den Sommern 2008 und 2009 nach Ausbrüchen der Kasatochi und Sarychev Vulkane jeweils für mehrere Monate in der unteren Stratosphäre messbar waren. Das an der AWIPEV Forschungsstation betriebene Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL), ein Instrument zur optischen Fernerkundung atmosphärischer Parameter mittels gepulster Laserstrahlung, wurde im Rahmen der Promotion grundlegend überarbeitet und mit einem neuen Teleskop sowie neuen Detektoroptiken versehen. Dies ermöglicht die Profilerfassung ab 450m über dem Meeresspiegel bis in die mittlere Stratosphäre. KARL liefert hochaufgelöste Messungen der Streueigenschaften von Aerosol- undWolkenteilchen (Rückstreuung, Extinktion und Depolarisation) sowieWasserdampfprofile in der unteren Troposphäre. Durch die Kombination von KARL Messungen mit Daten anderer Messgeräte an der AWIPEV Forschungsstation wie Radiosonden, Sonnenphotometer, Micro Pulse LIDAR und Fesselsonden wurde ein umfassender Datenbestand von Streuphänomenen in der arktischen Atmosphäre geschaffen. Die beiden genannten Frühjahreszeiträume März und April 2007 und 2009 wurden zunächst anhand meteorologischer Parameter, wie lokaler Temperatur- und Feuchteprofile sowie großskaliger Druckmuster und Luftmassenquellgebiete analysiert. Dabei konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Quellgebieten und erhöhter AOD festgestellt werden. In einem Vergleich zweier wolkenfreier Perioden im März 2007 und April 2009 war jedoch die höhere Aerosolbelastung in 2009 mit dem Transport von Luftmassen durch die innere Arktis verbunden. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer von Aerosolen lässt das entweder Aerosol-Entstehungsprozesse in der Zentralarktis oder Transformationsprozesse während des Transportes nach Ny-Ålesund vermuten. Für Messungen am 4. April 2009 mit Maximalwerten der AOD von bis zu 0.12 konnte die Größe der Aerosolteilchen in verschiedenen Höhen mit Hilfe von Inversionsrechnungen abgeschätzt werden. Diese und andere betrachtete Fallstudien legen eine Unterscheidung von Aerosolereignissen in drei Kategorien nahe, die sich in ihrer Entstehung deutlich unterscheiden: Vertikal begrenzte Aeosolschichten in trockener Luft, zeitlich hochvariable feuchte Aerosolschichten in der planetaren Grenzschicht sowie eine erhöhte Aerosolbelastung über große Teile der Troposphäre. Für das sehr klare Frühjahr 2007 wurden die vorhandenen KARL-Daten mit Hilfe eines Klassifikationsschemas, das auf den optischen Eigenschaften der streuenden Teilchen beruht, statistisch ausgewertet. Das verwendete Schema wurde mit Hilfe von verschiedenen Fallstudien validiert und ermöglicht bei Anwendung auf größere Datenbestände eine aussagekräftige Analyse von jährlichen Schwankungen der Aerosol- und Wolkenvorkommen über Ny-Ålesund. Die Ausbrüche zweier Vulkane in der nördlichen Hemisphäre im August 2008 und im Juni 2009 erlaubten die Analyse vulkanischer Aerosolschichten in der Stratosphäre. Die zeitliche Entwicklung der stratosphärischen AOD verlief in beiden Jahren ähnlich mit Maximalwerten von über 0.1 etwa drei bis fünfWochen nach dem jeweiligen Ausbruch. In beiden Jahren wurden bis zum technisch bedingten Abbruch der Messungen jeweils Ende September erhöhte stratosphärische AOD Werte gemessen. Die niedrigste Aerosolschicht konnte jeweils direkt an der Tropopause detektiert werden. Im Jahr 2008 wurden bis zu drei Schichten detektiert, die Struktur 2009 war durch bis zu sechs schmale Schichten gekennzeichnet, die nach etwa zwei Monaten zu einer breiten Schicht verschmierten. Drei Fallstudien zu mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften wurden durchgeführt. Dabei wurden für beide Jahre sehr große Brechungsindices von m=(1.53–1.55) - 0.02i ermittelt, die auf eine absorbierende Kohlenstoffkomponente der Vulkanaerosole hinweisen. Der errechnete Teilchenradius war ebenfalls in beiden Jahren vergleichbar mit Werten zwischen 0.16 und 0.19 μm. 2009 wurde zusätzlich ein zweites Maximum der Größenverteilung bei ca. 0.5μm gefunden. Die Langzeitmessungen mit dem Koldewey Aerosol Raman LIDAR KARL in Ny-Ålesund schaffen die Möglichkeit, arktische Aerosole in Troposphäre und Stratosphäre nicht nur in Fallstudien, sondern auch über längere Zeiträume hinweg zu analysieren. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnten sowohl Aerosolvorkommen in der arktischen Troposphäre im Frühjahr als auch eine vulkanisch bedingte erhöhte Aerosolbelastung in der Stratosphäre qualitativ und quantitativ beschrieben werden. Fallstudien und die Kombination mit Daten anderer Messgeräte ermöglichten Analysen mikrophysikalischer Aerosolparameter und deren Entwicklungsprozesse.
KW  - Arktis
KW  - Lidar
KW  - Aerosole
KW  - Fernerkundung
KW  - Arctic
KW  - Lidar
KW  - Aerosols
KW  - Remote Sensing
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52426
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hanf, Franziska Stefanie
T1  - South Asian summer monsoon variability: a modelling study with the atmospheric regional climate model HIRHAM5
T1  - Variabilität des Südasiatischen Sommermonsuns: eine Modellstudie mit dem regionalen Atmosphärenmodell HIRHAM5
N2  - The lives of more than 1/6 th of the world population is directly affected by the caprices of the South Asian summer monsoon rainfall. India receives around 78 % of the annual precipitation during the June-September months, the summer monsoon season of South Asia. But, the monsoon circulation is not consistent throughout the entire summer season. Episodes of heavy rainfall (active periods) and low rainfall (break periods) are inherent to the intraseasonal variability of the South Asian summer monsoon. Extended breaks or long-lasting dryness can result in droughts and hence trigger crop failures and in turn famines. Furthermore, India's electricity generation from renewable sources (wind and hydro-power), which is increasingly important in order to satisfy the rapidly rising demand for energy, is highly reliant on the prevailing meteorology. The major drought years 2002 and 2009 for the Indian summer monsoon during the last decades, which are results of the occurrence of multiple extended breaks, emphasise exemplary that the understanding of the monsoon system and its intraseasonal variation is of greatest importance. Although, numerous studies based on observations, reanalysis data and global model simulations have been carried out with the focus on monsoon active and break phases over India, the understanding of the monsoon intraseasonal variability is only in the infancy stage. Regional climate models could benefit the comprehension of monsoon breaks by its resolution advantage. 

This study investigates moist dynamical processes that initiate and maintain breaks during the South Asian summer monsoon using the atmospheric regional climate model HIRHAM5 at a horizontal resolution of 25 km forced by the ECMWF ERA Interim reanalysis for the period 1979-2012. By calculating moisture and moist static energy budgets the various competing mechanisms leading to extended breaks are quantitatively estimated. Advection of dry air from the deserts of western Asia towards central India is the dominant moist dynamical process in initiating extended break conditions over South Asia. Once initiated, the extended breaks are maintained due to many competing mechanisms: (i) the anomalous easterlies at the southern flank of this anticyclonic anomaly weaken the low-level cross-equatorial jet and thus the moisture transport into the monsoon region, (ii) differential radiative heating over the continental and the oceanic tropical convergence zone induces a local Hadley circulation with anomalous rising over the equatorial Indian Ocean and descent over central India, and (iii) a cyclonic response to positive rainfall anomalies over the near-equatorial Indian Ocean amplifies the anomalous easterlies over India and hence contributes to the low-level divergence over central India.

A sensitivity experiment that mimics a scenario of higher atmospheric aerosol concentrations over South Asia addresses a current issue of large uncertainty: the role aerosols play in suppressing monsoon rainfall and hence in triggering breaks. To study the indirect aerosol effects the cloud droplet number concentration was increased to imitate the aerosol's function as cloud condensation nuclei. The sensitivity experiment with altered microphysical cloud properties shows a reduction in the summer monsoon precipitation together with a weakening of the South Asian summer monsoon. Several physical mechanisms are proposed to be responsible for the suppressed monsoon rainfall: (i) according to the first indirect radiative forcing the increase in the number of cloud droplets causes an increase in the cloud reflectivity of solar radiation, leading to a climate cooling over India which in turn reduces the hydrological cycle, (ii) a stabilisation of the troposphere induced by a differential cooling between the surface and the upper troposphere over central India inhibits the growth of deep convective rain clouds, (iii) an increase of the amount of low and mid-level clouds together with a decrease in high-level cloud amount amplify the surface cooling and hence the atmospheric stability, and (iv) dynamical changes of the monsoon manifested as a anomalous anticyclonic circulation over India reduce the moisture transport into the monsoon region. The study suggests that the changes in the total precipitation, which are dominated by changes in the convective precipitation, mainly result from the indirect radiative forcing. Suppression of rainfall due to the direct microphysical effect is found to be negligible over India. Break statistics of the polluted cloud scenario indicate an increase in the occurrence of short breaks (3 days), while the frequency of extended breaks (> 7 days) is clearly not affected. This disproves the hypothesis that more and smaller cloud droplets, caused by a high load of atmospheric aerosols trigger long drought conditions over central India.
N2  - Das Leben von mehr als 1/6 der Weltbevölkerung wird direkt von den Kapriolen des Südasiatischen Sommermonsuns beeinflusst. Während der Sommermonsunzeit Südasiens von Juni bis September fällt allein in Indien ungefähr 78 % des Gesamtjahresniederschlags. Jedoch kennzeichnet der Monsun keine Phase von Dauerregenfällen. Vielmehr ist er von einzelnen Perioden mit hohen Niederschlagsmengen (aktive Monsunphasen) und geringen Niederschlagsmengen (Monsun-Unterbrechungsphasen) geprägt. Langanhaltende Monsun-Unterbrechungen können zu Dürren und damit zu Ernteausfällen, Hungersnöten und Einbußen in der Wirtschaft des Landes führen. Ebenso ist Indiens Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (Wind- und Wasserkraft), die eine Schlüsselkomponente in Indiens zukünftiger Energiestrategie spielt, direkt von den vorherrschenden Wettersituationen abhängig. Daher ist die Erforschung der intrasaisonalen Variabilität des Süd-asiatischen Sommermonsuns von enormer Wichtigkeit. Obwohl bereits zahlreiche Studien mit Fokus auf dem Wechsel von Aktiv- und Unterbrechungsphasen unter Verwendung von Beobachtungs- und Reanalysedaten und globalen Modellsimulationen existieren, steckt das Verständnis der intrasaisonalen Variabilität des Südasiatischen Sommermonsuns in seinen Anfängen. Die höhere Auflösung von Simulationen mit regionalen Klimamodellen kann zu einer Verbesserung des Verständnisses der Ursache von langanhaltenden Monsun-Unterbrechungsphasen beitragen.

In dieser Arbeit werden speziell die feucht-dynamischen Prozesse, die Unterbrechungsphasen des Südasiatischen Sommermonsuns über Indien initiieren und aufrechterhalten, mit Hilfe des regionalen Atmosphärenmodells HIRHAM5 untersucht. Die Durchführung von Budget Studien ermöglicht die quantitative Abschätzung der verschiedenen konkurrierenden Mechanismen. Advektion von trockener Luft aus den Wüsten Westasiens nach Zentral-Indien wird als der dominierende Prozess für die Entstehung von Monsun-Unterbrechungen identifiziert. Diese Studie zeigt, dass für die Aufrechterhaltung von Unterbrechungsphasen abweichende Zirkulationsstrukturen, ausgelöst durch anormale strahlungsbedingte Erwärmungsmuster, 
verantwortlich sind. Zum einen beeinträchtigen abgeschwächte Westwinde über Süd-Indien und dem Arabischen Meer den Feuchtigkeitstransport in die Monsunregion, zum anderen führt eine lokal ausgeprägte Hadley-Zelle mit aufsteigenden (absinkenden) Luftmassen über dem zentralen äquatorialen Indischen Ozean (Zentral-Indien) zur Zunahme der atmosphärischen Stabilität und somit zur Hemmung von vertikalem Wolkenwachstum über Zentral-Indien. 

Gegenwärtige Studien beschäftigen sich mit der Frage, ob hohe Konzentrationen an atmosphärischen Aerosolen lange Dürreperioden über Indien steuern können. Ein durchgeführtes Sensitivitätsexperiment, welches ein Szenario von erhöhten atmosphärischen Aerosolkonzentrationen durch eine veränderte Anzahl an Wolkentropfen über Südasien imitiert, analysiert die Auswirkungen indirekter Aerosoleffekte auf den mittleren Südasiatischen Sommermonsun und dessen intrasaisonaler Variabilität. Die Zunahme der Wolkentropfenkonzentration führt in Zusammenhang mit einer Abschwächung des Südasiatischen Sommermonsuns zu einer Reduktion der Sommerniederschläge über Zentral-Indien. Das Experiment zeigt, dass die Unterdrückung der Monsunregenfälle hauptsächlich durch eine gehemmte Bildung von hochreichenden Konvektionswolken durch die indirekte Strahlungswirkung von Aerosolen hervorgerufen wird. Eine statistische Analyse der Häufigkeit von Monsun-Unterbrechungsphasen in dem „verschmutzten“ Wolkenszenario zeigt zwar eine Zunahme in dem Vorkommen von kurzen Monsun-Unterbrechungsphasen (3 Tage), jedoch eine Abnahme in der Häufigkeit von langanhaltenden Monsun-Unterbrechungsphasen (> 7 Tage). Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass mehr und kleinere Wolkentropfen, verursacht durch hohe atmosphärischen Aerosolansammlungen, keine ausgedehnten Trockenphasen über Zentral-Indien auslösen.
KW  - South Asian summer monsoon
KW  - monsoon breaks
KW  - moist static energy
KW  - regional climate model
KW  - model tuning
KW  - aerosols
KW  - Südasiatischen Sommermonsun
KW  - Monsun-Unterbrechungen
KW  - Indien
KW  - Budgetstudien
KW  - Aerosole
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-89331
ER  - 
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  -