Three-dimensional radiative effects in Arctic boundary layer clouds above ice edges

Based on airborne spectral imaging observations, three-dimensional (3-D) radiative effects between Arctic boundary layer clouds and highly variable Arctic surfaces have been identified and quantified. A method is presented to discriminate sea ice and open water in cloudy conditions based on airborne upward radiance measurements in the visible spectral range. This separation simultaneously reveals that the transition of radiance between open water and sea ice is not instantaneous in cloudy conditions but horizontally smoothed. In general, clouds reduce the nadir radiance above bright surfaces in the vicinity of open water, while the nadir radiance above open sea is enhanced compared to situations with clouds located above sea ice surfaces. With the help of the observations and 3-D radiative transfer simulations, this effect was quantified. This affected distance deltaL was found to depend on both cloud and sea ice properties. For a low level cloud at 0-200 m altitude, as observed during the Arctic field campaign Vertical Distribution of Ice in Arctic Clouds (VERDI) in 2012, an increase of the cloud optical thickness from tau = 1 to tau = 10 leads to a decrease of deltaL from 600 to 250 m. An increase in cloud base altitude or cloud geometrical thickness results in an increase of deltaL. Furthermore, the impact of these 3-D-radiative effects on a retrieval of cloud optical properties was investigated. The enhanced brightness of a dark pixel next to an ice edge results in uncertainties of up to 90 % in retrievals of tau and up to 30 % in retrievals of the effective radius reff. With the help of detlaL quantified here, an estimate of the distance to the ice edge is given where the retrieval uncertainties due to 3D-effects are negligible.Mit Hilfe flugzeuggetragener abbildender spektraler Beobachtungen wurden 3-D Strahlungseffekte zwischen arktischen Grenzschichtwolken sowie der hochvariablen arktischen Bodenoberfläche identifiziert und quantifiziert. Eine Methode zur Differenzierung von Meereis und offener Wasserflächen, auf Grundlage flugzeuggetragener Messungen der aufwärtsgerichteten Strahldichte im sichtbaren Spektralbereich, während bewölkter Bedingungen wird vorgestellt. Diese Differenzierung zeigt gleichzeitig auf, dass die Strahldichtereduzierung beim Übergang vom Meereis zu den offenen Wasserflächen nicht unmittelbar erfolgt, sondern horizontal geglättet ist. Allgemein verringern Wolken in der Umgebung von Eiskanten die Nadir-Strahldichte über den hellen Eisflächen und erhöhen sie über dunklen Meeresoberflächen. Mit Hilfe von 3-D Strahlungstransferrechnungen wurde dieser Effekt quantifiziert. Die Reichweite dieses Effektes wird sowohl von den Wolken- als auch den Oberflächeneigenschaften beeinflusst. Für eine flache Wolke zwischen 0 und 200 m, so wie sie während der arktischen Feldkampagne Vertical Distribution of Ice in Arctic Clouds (VERDI), 2012 beobachtet werden konnte, führt eine Erhöhung der wolkenoptischen Dicke von tau = 1 zu tau = 10 zu einer Verringerung in deltaL von 600 zu 250 m. Zudem führt eine Erhöhung der Wolkenhöhe und ihrer geometrischen Dicke zu einer Zunahme von deltaL. Anschließend wurde der Einfluss dieser 3-D Strahlungseffekte auf die Ableitungsergebnisse von tau untersucht. Die Aufhellung eines dunkleren Pixels neben der Eiskante führt zu Unsicherheiten von bis zu 90 % bei der Ableitung von . Beim effektiven Radius zu bis zu 30 %. DeltaL ist ein Maß mit Hilfe dessen die Entfernung zur Eiskante bestimmt werden kann, ab welcher die Unsicherheiten bezüglich der 3-D Effekte vernachlässigt werden können