Aerosols and boundary layer structure over Arctic sea ice based on airborne lidar and dropsonde measurements

Aerosol und Grenzschichtstruktur über arktischem Meereis anhand von Flugzeuggetragenen Lidar- und Dropsonden- Messungen

  • The atmosphere over the Arctic Ocean is strongly influenced by the distribution of sea ice and open water. Leads in the sea ice produce strong convective fluxes of sensible and latent heat and release aerosol particles into the atmosphere. They increase the occurrence of clouds and modify the structure and characteristics of the atmospheric boundary layer (ABL) and thereby influence the Arctic climate. In the course of this study aircraft measurements were performed over the western Arctic Ocean as part of the campaign PAMARCMIP 2012 of the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI). Backscatter from aerosols and clouds within the lower troposphere and the ABL were measured with the nadir pointing Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) and dropsondes were launched to obtain profiles of meteorological variables. Furthermore, in situ measurements of aerosol properties, meteorological variables and turbulence were part of the campaign. The measurements covered a broad range of atmospheric and sea ice conditions. InThe atmosphere over the Arctic Ocean is strongly influenced by the distribution of sea ice and open water. Leads in the sea ice produce strong convective fluxes of sensible and latent heat and release aerosol particles into the atmosphere. They increase the occurrence of clouds and modify the structure and characteristics of the atmospheric boundary layer (ABL) and thereby influence the Arctic climate. In the course of this study aircraft measurements were performed over the western Arctic Ocean as part of the campaign PAMARCMIP 2012 of the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI). Backscatter from aerosols and clouds within the lower troposphere and the ABL were measured with the nadir pointing Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) and dropsondes were launched to obtain profiles of meteorological variables. Furthermore, in situ measurements of aerosol properties, meteorological variables and turbulence were part of the campaign. The measurements covered a broad range of atmospheric and sea ice conditions. In this thesis, properties of the ABL over Arctic sea ice with a focus on the influence of open leads are studied based on the data from the PAMARCMIP campaign. The height of the ABL is determined by different methods that are applied to dropsonde and AMALi backscatter profiles. ABL heights are compared for different flights representing different conditions of the atmosphere and of sea ice and open water influence. The different criteria for ABL height that are applied show large variation in terms of agreement among each other, depending on the characteristics of the ABL and its history. It is shown that ABL height determination from lidar backscatter by methods commonly used under mid-latitude conditions is applicable to the Arctic ABL only under certain conditions. Aerosol or clouds within the ABL are needed as a tracer for ABL height detection from backscatter. Hence an aerosol source close to the surface is necessary, that is typically found under the present influence of open water and therefore convective conditions. However it is not always possible to distinguish residual layers from the actual ABL. Stable boundary layers are generally difficult to detect. To illustrate the complexity of the Arctic ABL and processes therein, four case studies are analyzed each of which represents a snapshot of the interplay between atmosphere and underlying sea ice or water surface. Influences of leads and open water on the aerosol and clouds within the ABL are identified and discussed. Leads are observed to cause the formation of fog and cloud layers within the ABL by humidity emission. Furthermore they decrease the stability and increase the height of the ABL and consequently facilitate entrainment of air and aerosol layers from the free troposphere.show moreshow less
  • Die Verteilung von Meereis und offenem Wasser hat einen starken Einfluss auf die Atmosphäre über dem arktischen Ozean. Eisrinnen (sog. Leads) verursachen konvektive Flüsse von latenter und sensibler Wärme und führen zum Eintrag von Aerosolpartikeln in die Atmosphäre. Dadurch führen sie zum vermehrten Auftreten von Wolken und modifizieren die Struktur und die Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht (ABL), wodurch das arktische Klima beeinflusst wird. Im Rahmen der Messkampagne PAMARCMIP 2012 des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) wurden als Teil dieser Arbeit über dem westlichen arktischen Ozean Flugzeugmessungen durchgeführt. Mithilfe des nach unten gerichteten Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) wurde die Rückstreuung von Aerosolen und Wolken in der unteren Troposphäre und ABL gemessen. Dropsonden wurden verwendet, um Profile meteorologischer Größen zu erhalten. Zudem wurden in situ Messungen von Aerosoleigenschaften, meteorologischen Variablen und der Turbulenz durchgeführt. In dieser Arbeit werden dieDie Verteilung von Meereis und offenem Wasser hat einen starken Einfluss auf die Atmosphäre über dem arktischen Ozean. Eisrinnen (sog. Leads) verursachen konvektive Flüsse von latenter und sensibler Wärme und führen zum Eintrag von Aerosolpartikeln in die Atmosphäre. Dadurch führen sie zum vermehrten Auftreten von Wolken und modifizieren die Struktur und die Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht (ABL), wodurch das arktische Klima beeinflusst wird. Im Rahmen der Messkampagne PAMARCMIP 2012 des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) wurden als Teil dieser Arbeit über dem westlichen arktischen Ozean Flugzeugmessungen durchgeführt. Mithilfe des nach unten gerichteten Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) wurde die Rückstreuung von Aerosolen und Wolken in der unteren Troposphäre und ABL gemessen. Dropsonden wurden verwendet, um Profile meteorologischer Größen zu erhalten. Zudem wurden in situ Messungen von Aerosoleigenschaften, meteorologischen Variablen und der Turbulenz durchgeführt. In dieser Arbeit werden die Eigenschaften der ABL über arktischem Meereis basierend auf den Daten der PAMARCMIP Kampagne untersucht. Dabei liegt der Fokus auf dem Einfluss offener Leads auf die ABL. Aus den gewonnenen Dropsondendaten und AMALi Rückstreuprofilen wird die Höhe der ABL mithilfe verschiedener Methoden bestimmt. Die für verschiedene Messflüge und somit unterschiedliche atmosphärische Bedingungen sowie Meereisverteilungen berechneten ABL Höhen werden miteinander verglichen, und somit der Einfluss von offenem Wasser auf die ABL untersucht. Die verschiedenen Methoden zur Bestimmung der ABL Höhe führen zu unterschiedlichen Ergebnissen, je nach Eigenschaften der ABL und ihrer Geschichte. Es wird gezeigt, dass die Methoden für die ABL Höhen-Bestimmung aus der Lidar Rückstreuung, die gewöhnlich für die mittleren Breiten verwendet werden, nur bedingt für arktische Bedingungen geeignet ist. Um die ABL Höhe aus der Rückstreuung ableiten zu können, müssen Aerosole oder Wolken in der Grenzschicht als Tracer vorhanden sein. Dazu ist eine Aerosolquelle nahe der Oberfläche notwendig, welche typischerweise unter dem Einfluss von offenem Wasser und konvektiven Bedingungen vorliegt. Dennoch ist es nicht immer möglich, die aktuelle Grenzschicht von residualen Schichten zu unterscheiden. Stabile Grenzschichten sind im Allgemeinen schwer zu detektieren. Um die Komplexität der arktischen Grenzschicht und die beteiligten Prozesse zu veranschaulichen, werden vier Fallstudien detailliert analysiert, welche jeweils eine Momentaufnahme des Zusammenspiels von Atmosphäre und Meereis oder Wasseroberfläche darstellen. Der Einfluss von Leads und offenem Wasser auf Aerosol und Wolken in der ABL werden identifiziert und diskutiert. Die Bildung von Wolken- und Nebelschichten, verursacht durch den Feuchteeintrag über offenen Leads, wird beobachtet. Zudem verringern leads die Stabilität der ABL, führen zu einer Zunahme ihrer Höhe und begünstigen dadurch Entrainment von Luft und Aerosolschichten aus der freien Troposphäre.show moreshow less

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Metadaten
Author:Lukas Schmidt
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75076
Advisor:Klaus Dethloff, Roland Neuber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/02/23
Release Date:2015/04/16
Tag:AMALi; Atmosphäre; Eisrinne; Polar 5; polar
AMALi; Polar 5; atmosphere; lead; polar
Pagenumber:vii, 98, xiii
RVK - Regensburg Classification:UT 1080, UT 4800
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 92.00.00 Hydrospheric and atmospheric geophysics / 92.60.-e Properties and dynamics of the atmosphere; meteorology (see also 92.40.Zg Hydrometeorology, hydroclimatology) / 92.60.Fm Boundary layer structure and processes
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