Spectral Optical Layer Properties of Cirrus - Collocated Airborne Measurements and Radiative Transfer Simulations

In der vorliegenden Arbeit werden optische Schichteigenschaften von Zirren durch räumlich und zeitlich kombinierte flugzeuggetragene Messungen zusammen mit Strahlungstransfersimulationen untersucht. Diese räumlich koordinierten Strahlungs– und Mikrophysikmessungen oberhalb, unterhalb und innerhalb des Zirrus werden mittels eines Forschungsflugzeuges (Learjet 35A) in Kombination mit einem Schleppkörper namens AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle) realisiert. AIRTOSS wird dabei vom Flugzeug aus mittels einer Winde abgelassen und wieder eingeholt. Die maximale Seillänge beträgt 4 km. Im Rahmen des AIRTOSS–ICE–Projekts (Inhomogeneous Cirrus Experiment) wurden während zweier Messkampagnen über der Nord– und Ostsee im Frühjahr und Spätsommer 2013 flugzeuggetragene Beobachtungen der Zirruseigenschaften durchgeführt. Beispielmessungen eines Messfluges werden in dieser Arbeit gezeigt, welche den Nutzen der simultanen Strahlungsmessungen mittels zweier Messplattformen aufzeigen. Aus den Messungen der spektralen Flussdichten oberhalb und unterhalb des Zirrus werden die optischen Schichteigenschaften wie Transmissivität, Reflektivität und Absorptivität und die Albedo der Wolkenschicht ermittelt. Die flugzeuggetragenen Untersuchungen werden durch Sensitivitätsstudien gestützt, basierend auf einem eindimensionalen Strahlungstransfermodell. Dies dient der Charaktierisierung des Einflusses variierender, optischer und mikrophysikalischer Zirruseigenschaften (Eiskristallform, Partikelgröße und optische Dicke) auf die optischen Schichteigenschaften und den solaren Strahlungsantrieb des Zirrus. Weitere Studien zeigen den Einfluss einer darunterliegenden Flüssigwasserwolke auf die Zirruseigenschaften. Eine niedrige Wolkenschicht führt zu Abweichungen der Schichteigenschaften des Zirrus von 85%. Die Nichtberücksichtigung niedriger Wolken unterhalb einer Zirrusschicht führt zu einer deutlichen Überschätzung des Strahlungsantriebs des Zirrus um Faktor 5.In this thesis cirrus optical layer properties are investigated by truly collocated measurements and supplementary radiative transfer simulations. The close collocation of the radiative and microphysical measurements, above, beneath and inside the cirrus, is obtained by using a research aircraft (Learjet 35A) in tandem with a towed platform called AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle). AIRTOSS can be released from and retracted back to the research aircraft by means of a cable up to a distance of 4 km. Data were collected in two field campaigns above the North and Baltic Sea in spring and late summer 2013 in the framework of the AIRTOSS–ICE (AIRTOSS – Inhomogeneous Cirrus Experiment) project. Exemplary, results from one measuring flight are discussed also to illustrate the benefits of collocated sampling. The spectral optical layer properties of cirrus are derived from simultaneous and vertically collocated measurements of spectral upward and downward solar irradiance above and below the cloud layer and concurrent in situ microphysical sampling of the ice particle size distributions. From the irradiance data the optical layer properties (transmissivity, reflectivity, and absorptivity) and the cloud top albedo of the observed cirrus layer are obtained. These airborne observations are supported by sensitivity studies using one–dimensional radiative transfer modelling to characterize the effect of varying cirrus optical and microphysical properties (ice crystal shape, particle size, and cloud optical thickness) on the cirrus optical layer properties, as well as on the solar cirrus radiative forcing. Further studies show the impact of an underlying low–level liquid water cloud on the mentioned cirrus properties. A low–level cloud causes differences in the layer properties of the cirrus by 85%. If low–level clouds below cirrus are not considered the solar cooling due to the cirrus is significantly overestimated by up to a factor of 5