Englische Übersetzung des Titels: In situ characterization of small cloud particles in mixed phase clouds

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Abstract

Mischphasenwolken (MPWn) bestehen aus unterkühlten Flüssigwassertröpfchen und aus Eispartikeln, sind thermodynamisch instabil und eine Quelle von Unsicherheiten für Klima- und Wettervorhersagen. Ziel dieser Arbeit ist es, durch die Detektion und Analyse von Wolkenpartikeln in MPWn ein verbessertes Verständnis der Mikrophysik dieser Wolken zu erlangen. Dazu wurden in situ Messungen mit neuartigen optischen Instrumenten durchgeführt, die hochaufgelöste Streumuster von einzelnen Wolkenpartikeln mit Größen im Bereich von wenigen bis zu hundert Mikrometern erzeugen. Die Analyse dieser Streumuster ermöglicht eine detaillierte Charakterisierung von Phase und Morphologie der kleinsten Hydrometeore einer MPW. Diese Untersuchungen liefern wertvolle Hinweise auf bisher nur lückenhaft verstandene mikrophysikalische Prozesse in MPWn.

Die Messdaten der vorliegenden Arbeit wurden an der AIDA-Wolkenkammer, auf hochalpinen Bergstationen und an Bord von Flugzeugen über der kanadischen Arktis erhoben. Untersuchungen unter wohldefinierten Laborbedingungen an der Wolkenkammer werden zur Charakterisierung und Kalibrierung der Messegeräte und Analysemethoden verwendet. Im Rahmen der Bergstationsmessungen wurden sehr hohe Anzahlkonzentrationen von kleinen Eispartikeln in MPWn gemessen, die mit der Windgeschwindigkeit korrelieren und vermutlich aus sekundären Eisformationsprozessen an der Erdoberfläche stammen. Bei der flugzeugbasierten Untersuchung von arktischen MPWn wurde die Nachweisgrenze für Eispartikel erreicht. Bei diesen Messungen wurden interessante Merkmale der Tröpfchenpopulation festgestellt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen von Modellrechnungen und anderen Messgeräten verglichen. %Die Messungen im neuartigen Eis-selektiven Einlass zeigen, dass bei ihrem jeweiligen Durchgang, Tröpfchen wie gewünscht entfernt, Eispartikel allerdings auch verändert werden.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

Mixed phase clouds (MPCs) contain both, supercooled liquid droplets as well as ice particles, are thermodynamically unstable, and are a source of uncertainty for climate predictions and weather forecasts. The aim of this work is to gain new insights into MPC processes by in situ probing their smallest cloud particles, which are just a few micrometers in size. Therefore measurements were carried out using novel optical instruments, which generate high resolution scattering patterns of individual cloud particles with sizes of a few up to a hundred micrometers. An analysis of the scattering patterns allows for a detailed characterization of the phase and morphology of the smallest hydrometeors in a MPC. These measurements provide valuable hints on microphysical processes in MPCs, that are only partly understood.

The thesis contains data obtained at the AIDA cloud chamber, at high alpine research stations and on board of research aircraft over the Canadian Arctic. Measurements taken at the cloud chamber are performed under well-defined conditions and allow for a characterization and calibration of the instruments and analysis methods. The results from mountain tops show very high concentrations of small ice particles, which correlate strongly with the wind speed and presumably originate from secondary ice formation processes at the surface. While probing Arctic MPCs, the ice detection limit of the instrument was reached. These measurements showed remarkable features of the droplet population. The results of this work are compared to findings from model calculations and alternative cloud probes.