Airborne in situ measurements of ice particles in the tropical tropopause layer

Ice clouds have a strong effect on the Earth-atmosphere radiative energy balance, on the distribution of condensable gases in the atmosphere, as well as on the chemical composition of the air. The ice particles in these clouds can take on a variety of shapes which makes the description of the cloud microphysical properties more difficult. In the tropical upper troposphere/lower stratosphere (UTLS), a region where ice cloud abundance is relatively high, different types of ice clouds can be observed. However, in situ measurements are rare due to the high altitude of these clouds and the few available research aircraft, only three worldwide, that can fly at such altitudes.rnThis work focuses on in situ measurements of the tropical UTLS clouds performedrnwith a Cloud Imaging Probe (CIP) and a Forward Scattering Spectrometer Probern(FSSP-100), whereof the CIP is the key instrument of this thesis. The CIP is anrnairborne in situ instrument that obtains two-dimensional shadow images of cloud particles. Several cloud microphysical parameters can be derived from these measurements, e.g. number concentrations and size distributions. In order to obtain a high quality data set, a careful image analysis and several corrections need to be applied to the CIP observations. These methods are described in detail.rnMeasurements within the tropical UTLS have been performed during two campaigns:rnSCOUT-O3, 2005 in Northern Australia and SCOUT-AMMA, 2006 inWest Africa. Thernobtained data set includes first observations of subvisible cirrus clouds over a continental area and observations of the anvils of deep convective clouds. The latter can be further divided into clouds in mesoscale convective system outflows of different ages and clouds in overshooting cloud turrets that even penetrated the stratosphere. The microphysical properties of these three cloud types are discussed in detail. Furthermore, the vertical structure of the ice clouds in the UTLS is investigated. The values of the microphysical parameters were found to decrease with increasing altitude in the upper troposphere. Particle numbers and maximum sizes were also decreasing with increasing age of the outflow clouds. Further differences between the deep convective clouds and subvisible cirrus were found in the particle morphology as well as in the ratio of the observed aerosol particles to cloud particles which indicates that the different freezing processes (deposition, contact, immersion freezing) play different roles in the formation of the respective clouds. For the achievementrnof a better microphysical characterisation and description numerical fits have been adjusted onto the cloud particle size distributions of the subvisible cirrus as well as on the size distributions of the clouds at different altitudes in the UTLS.Eiswolken haben einen starken Einfluss auf die Strahlungsbilanz des Energiesystems Erde - Atmosphäre, auf die Spurengasverteilung in der Atmosphäre, sowie auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre. Die Eispartikel in diesen Wolken können einen Vielzahl von Formen annehmen, was die Beschreibung der mikrophysikalischen Eigenschaften erschwert. In der tropischen oberen Troposphäre/unteren Stratosphäre (UTLS, vom Englischen upper troposphere/lower stratosphere), einer Region mit relativ hohem Vorkommen von Eiswolken, können verschiedene Typen von Eiswolken beobachtet werden. Bisher gibt es nur wenige in situ Messungen von diesen in großer Höhe vorkommenden Wolken, da weltweit nur drei Forschungsflugzeuge diese Höhen erreichen können.rnrnDiese Arbeit beschäftigt sich mit in situ Messungen von tropischen UTLS Wolken, die mit einem Cloud Imaging Probe (CIP) und einem Forward Scattering Spectrometer Probe (FSSP-100) durchgeführt wurde, wobei das CIP das Hauptinstrument dieser Arbeit ist. Das CIP ist ein flugzeuggetragenes in situ Instrument, das zweidimensionale Schattenbilder von Wolkenpartikeln aufzeichnet. Verschiedene wolkenmikrophysikalische Parameter können aus den Messungen gewonnen werden wie z.B. Anzahlkonzentrationen und Größenverteilungen. Um einen hochwertigen Datensatz zu erhalten, müssen mehrere Auswertealgorithmen und Korrekturen auf die CIP Beobachtungen angewendet werden. Diese Methoden werden im Detail beschrieben. rnMessungen innerhalb der tropischen UTLS wurden im Verlauf von zwei Messkampagnenrndurchgeführt: SCOUT-O3, 2005, in Nordaustralien und SCOUT-AMMA, 2006, in Westafrika. Der gewonnene Datensatz enthält erste Beobachtungen von nichtsichtbaren Cirren über einer kontinentalen Region sowie Beobachtungen von Ambossen hochreichender konvektiver Wolken. Die Letzteren können weiter unterteilt werden in Wolken in der Auströmregion von mesoskaligen konvektiven Systemen und Wolken in überschießenden Wolkentürmen, die sogar bis in die Stratosphäre hineinreichen. Die mikrophysikalischen Eigenschaften dieser drei Wolkentypen werden genau beschrieben. Weiterhin wird die vertikale Struktur der Eiswolken in der UTLS untersucht.rnEine Abnahme der Eispartikelanzahlkonzentration, des Eiswassergehalts und desrnmittleren Partikeldurchmessers mit zunehmender Höhe in der oberen Troposphärernwurde beobachtet. Die Partikelanzahlen und die maximalen Größen der Partikel zeigten ebenfalls eine Abnahme mit zunehmendem Alter der Wolken in der Ausströmregion. Weitere Unterschiede zwischen den Wolken in hochreichender Konvektion und den nichtsichtbaren Cirren werden in der Eispartikelmorphologie als auch im Verhältnis zwischen den beobachteten Aerosolpartikeln zu Wolkenpartikeln gezeigt. Dies ist ein Hinweis dafür, dass die verschiedenen Gefrierprozesse (Depositions-, Kontakt-, Immersionsgefrieren) eine unterschiedliche Gewichtung in der Wolkenbildung der verschiedenen Wolken haben. Um eine bessere mikrophysikalische Charakterisierung und Beschreibung zu erreichen wurden mathematische Fits an die Wolkenpartikelgrößenverteilungen der nichtsichtbaren Cirren und der Wolken in verschiedenen Höhen in der UTLS erstellt