- Titel
- Tethered Balloon Observations of Thermal-Infrared Radiation Profiles in the Cloudy and Cloudless Arctic Atmospheric Boundary Layer
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-934791
- Datum der Einreichung
- 07.12.2023
- Datum der Verteidigung
- 13.06.2024
- Abstract (DE)
- Die aktuell beobachteten, drastischen Veränderungen in der Arktis, die auch als Effekt der Arktische Verstärkung bekannt sind, sind das Ergebnis eines komplexen Systems regionaler und überregionaler Prozesse und Rückkopplungsmechanismen. Die Komplexität der Wolkenprozesse in einer Region, in der häufig Wolken auftreten, unterstreicht die Notwendigkeit, mehrdeutige Modellierungsergebnisse mit Hilfe von Messungen zu validieren. Insbesondere die atmosphärische Grenzschicht (ABL) und die Erdoberfläche werden durch Strahlungsenergiequellen und -senken in verschiedenen Höhen beeinflusst, weshalb Vertikalmessungen erforderlich sind. Diese Dissertation befasst sich mit der Analyse ballongetragener in-situ Profilmessungen der Strahlung im thermischen Infrarot (TIR), um allgemeine Merkmale der vertikalen Struktur des Strahlungsfeldes der Arktischen Grenzschicht zu identifizieren und zu untersuchen, wie sich die Strahlungsprofile entwickeln und mit den anderen Parametern der Grenzschicht zusammenhängen. In-situ Messungen atmosphärischer Parameter in der arktischen ABL wurden mit dem Fesselballonsystem BELUGA (“Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere”) während drei Feldkampagnen durchgeführt: im Sommer 2020 während der “Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate” Expedition (MOSAiC) und im Herbst 2021 und im Frühjahr 2022 in Ny-Ålesund (Svalbard). Die Vertikalprofile der TIR-Bestrahlungsstärke wurden von einer speziell angefertigten, auf Strahlungsmessungen spezialiserten Nutzlast für BELUGA beobachtet, und die Strahlungsheizrate wurde abgeleitet. Die Beobachtungen wurden dann mit einem Strahlungstransportmodell abgeglichen. Die insgesamt 70 ballongetragene Profile wurden anhand des Zustands der Atmosphäre in vier Hauptkategorien eingeteilt: wolkenlos, niedrige flüssig-keitstragende Wolken, hohe flüssigkeitstragende Wolken und hohe Eiswolken. Die mittleren Vertikalrofile für diese Fälle wurden abgeleitet, um die allgemeinen Merkmale der TIR-Strahlungsprofile in der arktischen ABL zu charakterisieren. Fälle mit wolkenloser Atmosphäre sind durch ein stark negatives Oberflächen-TIR-Strahlungsbudget gekennzeichnet, mit einer schwachen, aber ziemlich homogenen Strahlungskühlung von etwa -2 Kday-1 über die gesamte ABL-Säule. Das Vorhandensein von Flüssigwasserwolken verändert die TIR-Nettostrahlungsstärke an der Erdoberfläche erheblich, mit Werten nahe 0 Wm-2. An der Wolkenoberkante zeigen niedrige Flüssigwasserwolken eine starke Abkühlung im TIR, mit Messwerten von bis zu -80 Kday-1. Diese Abkühlung ist für das Fortbestehen einer Wolke von grundlegender Bedeutung, da es die turbulente Durchmischung und den Lufteinschluss fördert. Bei hohen Flüssigwasserwolken findet die Abkühlung der Wolkenoberkante außerhalb der ABL statt. Jedoch gibt es einen Strah-lungseffekt durch diese Wolken, sowohl auf darunter liegende Wolken als auch auf die Erdoberfläche. Hohe Eiswolken zeigen eine schwächere Strahlungskühlung in der ABL, da Eis pro Masseneinheit nicht so effektiv ist wie flüssiges Wasser. Fallstudien wurde betrachtet, die alle BELUGA-Messungen umfassen und die thermodynamischen Bedingungen der ABL während verschiedener Wolkenbedingungen zeigen. Kombinationen von aufeinanderfolgenden Ballonflügen wurden verwendet um die Variation der TIR-Strahlungsprofile bei wechselnden Wolkenbedeckungsgraden zu erforschen und sie teilweise mit der Entwicklung der Thermodynamik von ABL in Verbindung zu bringen. Die Bedeutung bewölkter Luftmassen für den Strahlungshaushalt wurde untersucht, wobei sich zeigte, dass je nach dem absoluten Temperaturunterschied zwischen der Wolkenbasis und der Erdoberfläche eine Strahlungserwärmung (-kühlung) an der Wolkenbasis und eine Strahlungskühlung (-erwärmung) an der Erdoberfläche zu erwarten ist.
- Abstract (EN)
- The currently observed drastic changes in the Arctic and known as Arctic amplification are the result of a complex system of local and remote processes and feedback mechanisms. The complexity of cloud processes in a region where clouds are often present underlines the need to constrain ambiguous model results using observations. In particular, the atmospheric boundary layer (ABL) and the surface are affected by radiative energy sources and sinks at various altitudes, therefore measurements in the vertical dimension are needed. This dissertation analyzes in situ balloon-borne profile observations of thermal-infrared (TIR) radiation to identify some general features of the vertical structure of the radiative field of the Arctic ABL and to investigate how radiation profiles evolve and interact with the other ABL quantities. In situ measurements of atmospheric parameters in Arctic ABL were obtained using the tethered-balloon system BELUGA (Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere) during three field campaigns: in summer 2020 during the Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition, and in Ny-\AA lesund (Svalbard) in autumn 2021 and in spring 2022. Profiles of TIR irradiance were observed using a custom-made radiation payload, and radiative temperature tendency were derived. Observations were then matched using a radiative transfer model. A total of 70 balloon-borne profiles was sorted into four main categories based on the atmospheric states: cloudless, low-level liquid-bearing cloud, elevated liquid-bearing cloud, and elevated ice cloud. Average profiles for these cases were derived to characterize the general features of TIR radiation profiles in the Arctic ABL. Cloudless atmospheres are characterized by a strongly negative surface TIR radiation budget, with a weak but rather homogeneous radiative cooling of about -2 Kday-1 over the full ABL column. The presence of liquid-bearing clouds significantly modify the surface TIR net irradiance, with values close to 0 Wm-2. At cloud top, low-level liquid-bearing clouds present a strong TIR cooling, with observed values up to -80 Kday-1. This cooling is fundamental in maintaining the cloud, as it promotes turbulent mixing and entrainment. In elevated liquid-bearing clouds the cloud top cooling is located outside the ABL, but the radiative effect of the cloud is still present, impacting both any underlying cloud and the surface. Elevated ice clouds allow a weak radiative cooling in the ABL, as ice is not as effective as liquid water per unit of mass.Case studies were set up including the full suite of BELUGA measurements, and display the ABL thermodynamic conditions under different cloud conditions. Combinations of consecutive balloon flights were used to explore the variation of TIR radiation profiles under changing cloud covers and partially associating them with the evolution of ABL thermodynamics. The radiative importance of cloudy air masses was investigated, showing that depending on the absolute temperature difference between the base of the cloud and the surface, radiative warming (cooling) is expected at cloud base and radiative cooling (warming) is expected at the surface.
- Verweis
- Tethered balloon-borne profile measurements of atmospheric properties in the cloudy atmospheric boundary layer over the Arctic sea ice during MOSAiC: Overview and first results
DOI: https://doi.org/10.1525/elementa.2021.000120 - Profile observations of the Arctic atmospheric boundary layer with the BELUGA tethered balloon during MOSAiC
DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-023-02423-5 - Tethered balloon-borne observations of thermal-infrared irradiance and cooling rate profiles in the Arctic atmospheric boundary layer
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-24-1961-2024 - Freie Schlagwörter (EN)
- Tethered balloon, Radiative heating rates, Clouds, Arctic, MOSAiC
- Klassifikation (DDC)
- 530
- GutachterIn
- Prof. Dr. Manfred Wendisch
- Prof. Dr. Andreas Macke
- Jun.-Prof. Dr. Heike Kalesse-Los
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Universität Leipzig, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-934791
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 02.09.2024
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
Contents 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Clouds in the Arctic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Arctic Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Occurrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.3 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.4 Radiative forcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 In situ observations of Arctic clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Objectives and outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 Atmospheric radiative quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Cloud microphysical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Cloud optical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3 Instruments, data and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1 Tethered balloon system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Broadband radiation package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.1 Data acquisition and technical validation . . . . . . . . . . . 19 3.2.2 Uncertainty of measurements of irradiance . . . . . . . . . . . 22 3.2.3 Radiative temperature tendency . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3 Video ice particle sampler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.4 Additional data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.4.1 Surface radiation measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.4.2 Radiosonde profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.3 Cloud properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.5 Radiative transfer simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.1 Model setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.2 Temperature and humidity profiles . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.3 Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4 Field campaigns overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1 MOSAiC - summer 2020 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1.1 Site overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1.2 Synoptics conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1.3 Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.4 Balloon operations and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2 Ny-˚Alesund - autumn 2021 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2.1 Site overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2.2 Synoptic conditions and clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2.3 Balloon operations and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Ny-˚Alesund - spring 2022 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3.1 Synoptic conditions and clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3.2 Balloon operations and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Statistical evaluation of radiation profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1 Radiative states at the surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Classification of observed profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.3 Cloudless cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.4 Elevated ice clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.5 Low-level liquid-bearing clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.6 Elevated liquid-bearing clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 6 States and transitions: case studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.1 Cloudless: 4 April 2022 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.2 Low-level liquid-bearing cloud: 13 July 2020 . . . . . . . . . . . . . 59 6.3 Dissipation of a low-level cloud: 30 September 2021 . . . . . . . . . 63 6.4 Elevated liquid-bearing cloud: 23 July 2020 . . . . . . . . . . . . . . 65 7 Radiative effect of cloudy air masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.1 Deriving profiles of cloud radiative effect . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.2 Profile modulation by elevated clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.2.1 Elevated ice cloud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.2.2 Elevated liquid bearing cloud . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 7.3 Clouds in different air masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.3.1 Characterization of air mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 7.3.2 Temperature, clouds, and microphysics properties . . . . . . . 75 7.3.3 Net irradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7.3.4 Radiative temperature tendency . . . . . . . . . . . . . . . . 78 8 Summary, conclusions, and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 List of Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 List of Peer-Reviewed Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 List of Data Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117