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Authors: Schlenczek, Oliver
Title: Airborne and ground-based holographic measurement of hydrometeors in liquid-phase, mixed-phase and ice clouds
Online publication date: 18-Jan-2018
Language : english
Abstract: In dieser Arbeit wurde ein neues Instrument zur Messung von Hydrometeoren entwickelt, das zum Einsatz auf Forschungsflugzeugen bestimmt ist. Es basiert auf dem Prinzip der digitalen Einstrahl-Holografie und liefert sechsmal pro Sekunde eine Aufnahme des Interferenzmusters aus einem Messvolumen von ca. 35 Kubikzentimetern. Mithilfe von numerischer Rekonstruktion wird daraus die Position und ein fokussiertes zweidimensionales Bild eines jeden Partikels berechnet, das zum Zeitpunkt des Laserpulses im Volumen war. Aus den rekonstruierten Bildern werden schließlich die Partikelgröße sowie Volumen und Oberfläche bestimmt. Dieses neue Instrument "HALOHolo" wurde mittels verschiedener Messungen im Labor bezüglich Genauigkeit der Größenbestimmung und Detektierbarkeit der Partikel kalibriert. Ein Vergleich mit anderen Instrumenten während mehrerer Messflüge konnte die zuvor ermittelten Zusammenhänge im Wesentlichen bestätigen. Aus drei verschiedenen Flugzeugmesskampagnen auf zwei unterschiedlichen Flugzeugen wurden Messungen in Flüssigphasenwolken, Eiswolken und Mischphasenwolken durchgeführt. Bei den Messungen in Flüssigphasenwolken, es handelte sich um arktische Stratocumuluswolken, wurde der Zusammenhang zwischen der Variabilität in der Anzahlkonzentration der Tropfen und dem mittleren Tropfendurchmesser untersucht. Die viel größere Variabilität in der Anzahlkonzentration lässt auf inhomogene Vermischung zwischen Wolkenluft und Umgebungsluft schließen. In einem sich entwickelnden tropischen Regenschauer konnte die mikrophysikalische Entwicklung während des Vereisungsprozesses dokumentiert werden. Von besonderem Interesse war die lokale Umgebung von Eiskristallen in der Mischphasenregion. Dort konnte festgestellt werden, dass die meisten Messungen für eine homogene Durchmischung zwischen Eis und Wolkentropfen auf räumlichen Skalen von wenigen Millimetern bis Zentimetern sprechen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass große bereifte Eispartikel (Graupel) häufig zusammen mit deutlich kleineren, säulenförmigen Eiskristallen auftreten. Dies trat bevorzugt in starken Aufwinden auf. Abschließend wurden Strukturen auf einer Größenskala von 30 m bis 300 km in hohen Eiswolken (Zirren) inspiziert. Diese Wolken haben manchmal eine bimodale Größenverteilung der Eiskristalle, welche vornehmlich durch Mischungsprozesse entstehen. In einigen Fällen konnte ein Zusammenhang zwischen mikrophysikalischen Eigenschaften und dynamischer Ursache gefunden werden. Bei der Untersuchung der Eiswolken konnte auch gezeigt werden, dass sich die Gesamtgrößenverteilung durch die Addition von Lognormalverteilungen für die jeweilige Kristallform erklären lässt. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass das neue Instrument Daten aus mehreren Flugkampagnen liefern konnte, die über den Umfang der Daten konventioneller Wolkenmessinstrumente (Forward Scattering Spectrometer Probe, Cloud Imaging Probe, Cloud Droplet Probe) hinausgehen. Für alle drei mikrophysikalischen Wolkenklassen (Flüssigphasen-, Eis- und Mischphasenwolken) konnten Fallstudien gefunden werden, die neue wissenschaftliche Erkenntnisse über die Mikrostruktur der Wolken liefern.
A new cloud particle spectrometer has been developed in this work with the purpose of obtaining in-situ measurements on different research aircraft. It is based on the principle of digital in-line holography and delivers six images per second of the recorded interference pattern from the laser background and particles suspended in the approx. 35 cubic centimeter large sample volume. Particle position and two-dimensional in-focus images of particles are determined via numerical reconstruction based on Fraunhofer diffraction pattern analysis. Particle properties such as diameter, area and mass are calculated from the reconstructed images. This new instrument, called "HALOHolo", has been calibrated in the laboratory w.r.t. particle detectability and sizing accuracy. An instrument intercomparison with other cloud particle spectrometers confirmed the determined instrument characteristics in general. Measurements in liquid-phase, mixed-phase and ice clouds have been obtained from three airborne field campaigns where HALOHolo was operated on two different aircraft. The liquid-phase clouds measured were Arctic stratocumulus clouds, where the connection between variability of particle number concentration and mean volume diameter was investigated. The measured data were indicative of inhomogeneous mixing between the cloud and the surrounding air. A developing tropical rain shower was sampled in the process of glaciation and its microphysical evolution has been characterized. The local environment of ice crystals surrounded by supercooled liquid water droplets was studied and the spatial distribution of ice crystals and droplets was found to be a uniform random distribution for the majority of measurements in the rapid glaciation zone of the cloud. In addition, the simultaneous occurrence of small columnar ice crystals among larger rimed particles (graupels) has been documented in a variety of cases, which were most likely to be found in strong updrafts. Finally, the spatial structure of cirrus clouds has been investigated on scales between 30 m and 300 km. These clouds did sometimes exhibit bimodal distributions of particle maximum dimension, which were supposedly induced by mixing processes. In some of the cases, a connection between dynamics and microphysics could be established from the holographic measurements and the meteorological data recorded by the aircraft. It could also be shown that the size distribution of ice crystals can be described as a superposition of log-normal distributions from each individual particle habit. In this thesis, it could be shown that the new instrument is capable of delivering scientifically useful data, which extend beyond conventional instruments like the Forward Scattering Spectrometer Probe, the Cloud Imaging Probe or the Cloud Droplet Probe, and it could even provide new insights in some aspects of cloud physics in all three microphysical classes of clouds. While the majority of the data analysis is able to run automatically, some critical steps like particle classification are still semi-automatic.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4124
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: vii, 316 Seiten
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