Authors:	Port, Max
Title:	Flugzeuggetragene Messungen von Zirren und vereisten Wolken im Troposphären-Stratosphären-Übergangsbereich des asiatischen Sommermonsuns
Online publication date:	17-Aug-2022
Year of first publication:	2022
Language:	german
Abstract:	Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich vorrangig mit zwei aktuellen Fragestellungen der Atmosphärenforschung: Zum einen wird die Frage nach der Vergleichbarkeit flugzeuggetragener Messungen gestellt. Zum anderen wird anhand der Messdaten der 2017 durchgeführten Forschungskampagne StratoClim untersucht, mit welcher Mikrophysik sich die im Übergansbereich von Troposphäre zu Stratosphäre beobachteten Eis- und Zirruswolke beschreiben lassen. Zur Beantwortung der ersten Fragestellung werden die Aufzeichnungen verschiedene Instrumente, die die gleichen Parameter messen, miteinander verglichen und es wird anhand der Analyse einzelner Flugabschnitte, sowie der gesamten Datensätze untersucht, inwieweit diese Messungen miteinander vergleichbar sind und weshalb sich Unterschiede zeigen. Eine Fragestellung, die sich nach wie vor im Diskurs der mit atmosphärischer Messtechnik befassten wissenschaftlichen Gemeinde befindet. Die verwendeten Instrumente zeichnen beim Durchfliegen von Wolkenstrukturen Bilddaten auf, anhand derer auf die mikrophysikalischen Eigenschaften (der Hydrometeore) in diesen Strukturen geschlossen werden kann. Die Messdaten wurden im Rahmen der Forschungskampagne StratoClim während der Zeit des asiatischen Sommermonsuns im Juli und August 2017 über Nepal, Indien und Bangladesch erhoben. Der StratoClim-Datensatz ist aufgrund seiner geographischen, meteorologischen und technisch-instrumentellen Besonderheiten bislang einzigartig (erste erfolgreiche Messkampagne in dieser Region und Jahreszeit, mit diesen Flugprofilen und wissenschaftlichen Instrumenten an Bord) und daher ist es von besonderem Interesse, dass die erhobenen Messdaten konsistent und vergleichbar sind. Sowohl in Hinblick auf die Vergleichbarkeit innerhalb des StratoClim-Datensatzes als auch im Vergleich mit vergangenen und noch folgenden Datensätzen aus flugzeuggetragenen Messkampagnen in diesem Zusammenhang. Im Zuge dieser Vergleichbarkeitsstudie wurde zuerst die verwendete Bildauswertungs-Software optimiert und dabei untersucht, inwiefern verschiedene Softwareversionen und Randbedingungen bei der Bilddatenauswertung, die grundlegenden Messprodukte wie Größe, Anzahldichte und Form beeinflussen. Dafür wurden die Datensätze des modernsten bildgebenden Verfahrens, dass von der Mainzer Forschungsgemeinde an der Johannes Gutenberg-Universität und dem Max-Planck-Institut für Chemie verwendet wird, zur Auswertung herangezogen. Die Erkenntnisse aus der Studie an diesen Bilddaten lassen sich direkt auf alle weiteren Datensätze von Messgeräten mit monochromer Bildaufzeichnung übertragen. Ein zentrales Ergebnis dieser Studie ist, dass die in Kooperation mit dem National Center for Atmospheric Research – NCAR entwickelte Nachfolgerversion der Bilddaten-Software deutliche Vorteile gegenüber den bislang verwendeten Versionen liefert. Alle Ergebnisse werden im Detail in Kapitel 2 erläutert und diskutiert. Anschließend werden die Datensätze zweier baugleicher Instrumente, die während der Messkampagne StratoClim 2017 im Einsatz waren, gegenübergestellt und auf mögliche Unterschiede auf Soft- und Hardwareseite hin untersucht. Im Rahmen dieser Untersuchung konnten mehrere, für die Messqualität kritische, Sensoreinstellungen identifiziert werden, die in den Datensätzen der einzelnen Instrumente nicht weiter auffällig waren. Es zeigte sich, dass insbesondere die Messung der Sonden-Anströmgeschwindigkeit und ein damit verbundener Korrekturfaktor für die Messvolumenkompression, sensible Indikatoren für korrekt kalibrierte Instrumentensensoren darstellen. Der Sensordaten-Vergleich führte auch zu einer mit dieser Arbeit erstmals eingeführten Fehlerkorrektur des Messvolumens. Darauf aufbauend wird ein virtuell zusammengeführtes Messvolumens der beiden baugleichen Instrumente eingeführt und die entstehenden Vor- und Nachteile, auch in Hinblick auf Datenauswertungsstrategien zukünftiger Messkampagnen, diskutiert. Im darauffolgenden Teil der Arbeit in Kapitel 4 wird auf anderem Wege an die Frage der Vergleichbarkeit von flugzeuggetragenen Hydrometeormessungen herangegangen und dabei auch die Mikrophysik der beobachteten Wolkenstrukturen während StratoClim untersucht. Es wird dafür ein weiterer Vergleich zwischen den Messdaten zweier Instrumente unterschiedlicher Bauart und Messmethode angestellt. Dafür werden die Datensätze der in den vorherigen Kapiteln diskutierten bildgebenden Verfahren mit einem Streulichtmessverfahren verglichen, das für StratoClim ebenfalls im Einsatz war. Dabei werden zum einen Rückstreukoeffizienten aus den Bilddaten berechnet und mit direkt gemessenen Rückstreukoeffizienten verglichen. Zum anderen wird ein Formfaktor eingeführt, der eine Zuordnung von Messsignalen zu Eispartikelformen ermöglicht und damit weitere Indizien für die mikrophysikalischen Eigenschaften der gemessenen Wolkenpartikel liefert, sowie deren Vergleichbarkeit ermöglicht. Es zeigt sich dabei, dass die Kombination aus Formfaktor und Depolarisation des rückgestreuten Signals ein sensibler Indikator für asphärische und irreguläre Eiskristallformen ist und dass die beobachtete Mikrophysik mit denen in der Literatur beschriebenen Eigenschaften und Beobachtungen übereinstimmt. Die sich an diese Studie anschließende Auswertung im letzten Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den während StratoClim erfassten Daten in Hinblick auf die aktuelle Forschung an vereisten Wolken und Zirruswolken. Es werden in-Situ Beobachtungen von Hydrometeoren aus überschießender Konvektion, verschiedenen Stadien von Eiswolken ausströmender Gewitterzellen, sowie von seltenen, nicht sichtbaren Zirren, sogenannte „Subvisible Cirrus“ Wolken vorgestellt. Die dargestellten Phänomene wurden während der Zeit des asiatischen Sommermonsuns in Höhenbereichen der asiatischen oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre in ca. 10 – 21 km Höhe beobachtet und sie werden in den Kontext der in der Literatur beschriebenen Beobachtungen zu dieser Jahreszeit, in diesen Breitengraden und Höhenbereichen gestellt. Abschließend folgt im letzten Kapitel eine Zusammenfassung der Arbeit mit Fazit und Ausblick. The present work deals primarily with two current questions in atmospheric research: On the one hand, the question of the comparability of airborne measurements is posed. On the other hand, the measurement data from the StratoClim research campaign conducted in 2017 is used to investigate which microphysics can be used to describe the ice and cirrus clouds observed in the transition area from troposphere to stratosphere. To answer the first question, the recordings of various instruments that measure the same parameters are compared with one another and based on the analysis of individual flight segments, as well as the entire data set, it is examined to what extent these measurements are comparable with one another and why there are differences. A question that is still in the discourse of the scientific community concerned with atmospheric measurement technology. The instruments used record image data when flying through cloud structures, which can be used to infer the microphysical properties (of the hydrometeors) in these structures. The measurement data were collected as part of the StratoClim research campaign during the Asian summer monsoon in July and August 2017 over Nepal, India and Bangladesh. The StratoClim dataset is unique due to its geographical, meteorological and technical-instrumental characteristics (first successful measurement campaign in this region and season, with these flight profiles and scientific instruments on board) and it is therefore of particular interest that the measurement data collected is consistent and are comparable. Both in terms of comparability within the StratoClim data set and in comparison, with previous and future data sets from airborne measurement campaigns in this context. During this comparability study, the image evaluation software used was first optimized and examined to what extent different software versions and boundary conditions in image data evaluation influence the basic measurement products such as size, number density and shape. For this purpose, the data sets of the most modern imaging process, which is used by the Mainz research community at the Johannes Gutenberg University and the Max Planck Institute for Chemistry, were used for the evaluation. The findings from the study on this image data can be transferred directly to all other data sets from measuring devices with monochrome image recording. A central result of this study is that the successor version of the image data software developed in cooperation with the National Center for Atmospheric Research - NCAR provides clear advantages over the versions previously used. All results are explained and discussed in detail in Chapter two. Then the data sets of two identical instruments that were used during the StratoClim 2017 measurement campaign are compared and examined for differences on the software and hardware side. As part of this investigation, all sensor settings that were critical for the measurement quality could be identified, which were not noticeable in the data sets of the individual instruments. It was shown that the measurement of the flow velocity of the probe and a related correction factor for the measurement volume compression are sensitive indicators for correctly calibrated instrument sensors. The comparison of sensor data also led to an error correction of the measurement volume introduced for the first time in this work. Based on this, a combined measurement volume of the two identical instruments is introduced and the resulting advantages and disadvantages, also regarding data evaluation strategies for future measurement campaigns, are discussed. In the following part of the work in Chapter 4, the question of the comparability of airborne hydrometer measurements is approached in a different way and the microphysics of the cloud structures observed during StratoClim are also examined. For this purpose, a further comparison is made between the measurement data of two instruments of distinctive design and measurement method. For this purpose, the data sets of the imaging processes discussed in the previous chapters are compared with a scattered light measurement process that was also used for StratoClim. On the one hand, backscatter coefficients are calculated from the image data and compared with directly measured backscatter coefficients. On the other hand, a form factor is introduced that enables measurement signals to be assigned to ice particle shapes and thus provides further indications for the microphysical properties of the measured cloud particles and enables them to be compared. It turns out that the combination of form factor and depolarization of the backscattered signal is a sensitive indicator of aspherical and irregular ice crystal shapes and that the observed microphysics agrees with the properties and observations described in the literature. The evaluation following this study in the last part of the thesis deals with the data collected during StratoClim with regard to the current research on icy clouds and cirrus clouds. In-situ observations of hydrometeors from excessive convection, various stages of thunderstorm cells flowing out of ice clouds, as well as rare, invisible cirrus clouds, so-called "subvisible cirrus" clouds are presented. The phenomena shown were observed during the Asian summer monsoon in high altitude areas of the Asian upper troposphere and lower stratosphere at an altitude of approx. 10 - 21 km and they are placed in the context of the observations described in the literature at this time of year, in these latitudes and altitude ranges. Finally, in the last chapter, there is a summary of the work with a conclusion and outlook.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 510 Mathematik 510 Mathematics 530 Physik 530 Physics 550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-7538
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-194a7b1a-b74d-40c9-b32b-cc3f25f0a63c8
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-SA
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
Extent:	VII, 198 Seiten, Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen