Konstantina Nakoudi

• Over the last decades, the rate of near-surface warming in the Arctic is at least double than elsewhere on our planet (Arctic amplification). However, the relative contribution of different feedback processes to Arctic amplification is a topic of ongoing research, including the role of aerosol and clouds. Lidar systems are well-suited for the investigation of aerosol and optically-thin clouds as they provide vertically-resolved information on fine temporal scales. Global aerosol models fail to converge on the sign of the Arctic aerosol radiative effect (ARE). In the first part of this work, the optical and microphysical properties of Arctic aerosol were characterized at case study level in order to assess the short-wave (SW) ARE. A long-range transport episode was first investigated. Geometrically similar aerosol layers were captured over three locations. Although the aerosol size distribution was different between Fram Strait(bi-modal) and Ny-Ålesund (fine mono-modal), the atmospheric column ARE was similar. The latter was related toOver the last decades, the rate of near-surface warming in the Arctic is at least double than elsewhere on our planet (Arctic amplification). However, the relative contribution of different feedback processes to Arctic amplification is a topic of ongoing research, including the role of aerosol and clouds. Lidar systems are well-suited for the investigation of aerosol and optically-thin clouds as they provide vertically-resolved information on fine temporal scales. Global aerosol models fail to converge on the sign of the Arctic aerosol radiative effect (ARE). In the first part of this work, the optical and microphysical properties of Arctic aerosol were characterized at case study level in order to assess the short-wave (SW) ARE. A long-range transport episode was first investigated. Geometrically similar aerosol layers were captured over three locations. Although the aerosol size distribution was different between Fram Strait(bi-modal) and Ny-Ålesund (fine mono-modal), the atmospheric column ARE was similar. The latter was related to the domination of accumulation mode aerosol. Over both locations top of the atmosphere (TOA) warming was accompanied by surface cooling. Subsequently, the sensitivity of ARE was investigated with respect to different aerosol and spring-time ambient conditions. A 10% change in the single-scattering albedo (SSA) induced higher ARE perturbations compared to a 30% change in the aerosol extinction coefficient. With respect to ambient conditions, the ARETOA was more sensitive to solar elevation changes compared to AREsur f ace. Over dark surfaces the ARE profile was exclusively negative, while over bright surfaces a negative to positive shift occurred above the aerosol layers. Consequently, the sign of ARE can be highly sensitive in spring since this season is characterized by transitional surface albedo conditions. As the inversion of the aerosol microphysics is an ill-posed problem, the inferred aerosol size distribution of a low-tropospheric event was compared to the in-situ measured distribution. Both techniques revealed a bi-modal distribution, with good agreement in the total volume concentration. However, in terms of SSA a disagreement was found, with the lidar inversion indicating highly scattering particles and the in-situ measurements pointing to absorbing particles. The discrepancies could stem from assumptions in the inversion (e.g. wavelength-independent refractive index) and errors in the conversion of the in-situ measured light attenuation into absorption. Another source of discrepancy might be related to an incomplete capture of fine particles in the in-situ sensors. The disagreement in the most critical parameter for the Arctic ARE necessitates further exploration in the frame of aerosol closure experiments. Care must be taken in ARE modelling studies, which may use either the in-situ or lidar-derived SSA as input. Reliable characterization of cirrus geometrical and optical properties is necessary for improving their radiative estimates. In this respect, the detection of sub-visible cirrus is of special importance. The total cloud radiative effect (CRE) can be negatively biased, should only the optically-thin and opaque cirrus contributions are considered. To this end, a cirrus retrieval scheme was developed aiming at increased sensitivity to thin clouds. The cirrus detection was based on the wavelet covariance transform (WCT) method, extended by dynamic thresholds. The dynamic WCT exhibited high sensitivity to faint and thin cirrus layers (less than 200 m) that were partly or completely undetected by the existing static method. The optical characterization scheme extended the Klett–Fernald retrieval by an iterative lidar ratio (LR) determination (constrained Klett). The iterative process was constrained by a reference value, which indicated the aerosol concentration beneath the cirrus cloud. Contrary to existing approaches, the aerosol-free assumption was not adopted, but the aerosol conditions were approximated by an initial guess. The inherent uncertainties of the constrained Klett were higher for optically-thinner cirrus, but an overall good agreement was found with two established retrievals. Additionally, existing approaches, which rely on aerosol-free assumptions, presented increased accuracy when the proposed reference value was adopted. The constrained Klett retrieved reliably the optical properties in all cirrus regimes, including upper sub-visible cirrus with COD down to 0.02. Cirrus is the only cloud type capable of inducing TOA cooling or heating at daytime. Over the Arctic, however, the properties and CRE of cirrus are under-explored. In the final part of this work, long-term cirrus geometrical and optical properties were investigated for the first time over an Arctic site (Ny-Ålesund). To this end, the newly developed retrieval scheme was employed. Cirrus layers over Ny-Ålesund seemed to be more absorbing in the visible spectral region compared to lower latitudes and comprise relatively more spherical ice particles. Such meridional differences could be related to discrepancies in absolute humidity and ice nucleation mechanisms. The COD tended to decline for less spherical and smaller ice particles probably due to reduced water vapor deposition on the particle surface. The cirrus optical properties presented weak dependence on ambient temperature and wind conditions. Over the 10 years of the analysis, no clear temporal trend was found and the seasonal cycle was not pronounced. However, winter cirrus appeared under colder conditions and stronger winds. Moreover, they were optically-thicker, less absorbing and consisted of relatively more spherical ice particles. A positive CREnet was primarily revealed for a broad range of representative cloud properties and ambient conditions. Only for high COD (above 10) and over tundra a negative CREnet was estimated, which did not hold true over snow/ice surfaces. Consequently, the COD in combination with the surface albedo seem to play the most critical role in determining the CRE sign over the high European Arctic.…
• Seit den letzten Jahrzehnten erwärmt sich die arktische, oberflächennahe Luft mindestens doppelt so schnell, wie anderswo auf unserem Planeten (arktische Verstärkung). Der relative Beitrag verschiedener Rückkopplungsprozesse zu dieser arktischen Verstärkung ist ein Thema laufender Forschung, einschließlich der Rolle von Aerosol und Wolken. Lidarsysteme eignen sich gut zur Untersuchung von Aerosolen und optisch dünnen Wolken, da sie vertikal aufgelöste Informationen auf kurzen Zeitskalen liefern. Globale Aerosolmodelle können das Vorzeichen des Aerosolstrahlungseffekts (ARE) in der Arktis nicht erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit, wurden die optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften des arktischen Aerosols auf Fallstudienebene charakterisiert, um das kurzwellige ARE zu bestimmen. Ein Ferntransportereignis von Aerosol wurde zuerst untersucht. An drei Standorten wurden geometrisch ähnliche Aerosolschichten erfasst. Obwohl die Aerosolgrößenverteilung zwischen der Framstraße (bimodal) und Ny-Ålesund (monomodal imSeit den letzten Jahrzehnten erwärmt sich die arktische, oberflächennahe Luft mindestens doppelt so schnell, wie anderswo auf unserem Planeten (arktische Verstärkung). Der relative Beitrag verschiedener Rückkopplungsprozesse zu dieser arktischen Verstärkung ist ein Thema laufender Forschung, einschließlich der Rolle von Aerosol und Wolken. Lidarsysteme eignen sich gut zur Untersuchung von Aerosolen und optisch dünnen Wolken, da sie vertikal aufgelöste Informationen auf kurzen Zeitskalen liefern. Globale Aerosolmodelle können das Vorzeichen des Aerosolstrahlungseffekts (ARE) in der Arktis nicht erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit, wurden die optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften des arktischen Aerosols auf Fallstudienebene charakterisiert, um das kurzwellige ARE zu bestimmen. Ein Ferntransportereignis von Aerosol wurde zuerst untersucht. An drei Standorten wurden geometrisch ähnliche Aerosolschichten erfasst. Obwohl die Aerosolgrößenverteilung zwischen der Framstraße (bimodal) und Ny-Ålesund (monomodal im Akkumulationsmode) unterschiedlich war, ergaben sich ähnliche Werte für das ARE in der atmosphärische Säule. Letzteres hängt mit der Dominanz des Akkumulationsmodus-Aerosols zusammen. Über beiden Standorten ergab sich am Oberrand der Atmosphäre (TOA) eine Erwärmung; diese wurde von einer Oberflächenkühlung begleitet. Anschließend wurde die Abhängigkeit der ARE in Bezug auf verschiedene Aerosole und Umgebungsbedingungen im Frühling untersucht. Eine Änderung der Einfachstreualbedo (SSA) um 10% induzierte höhere ARE-Änderungen im Vergleich zu einer 30%igen Änderung des Aerosol-Extinktionskoeffizienten. In Bezug auf die Umgebungsbedingungen war die TOAARE im Vergleich zur Oberflächen-ARE empfindlicher gegenüber Änderungen der Sonnenhöhe. Über dunklen Oberflächen war das ARE-Profil ausschließlich negativ, während über hellen Oberflächen oberhalb der Aerosolschichten eine Verschiebung von negativen zu positiven Werten auftrat. Entsprechend ist das Vorzeichen der ARE im Frühjahr hochempfindlich, da diese Jahreszeit durch starke Änderung der Oberflächenalbedo gekennzeichnet ist. Da die Inversion der Aerosolmikrophysik aus optischen Daten ein schlecht-gestelltes Problem ist, wurde die abgeleitete Aerosolgrößenverteilung eines Aerosol-Ereignisses in der niederen Troposphäre mit der einer aus in situ Verfahren abgeleiteten Verteilung verglichen. Beide Techniken ergaben zwei Aerosolmodi mit guter Übereinstimmung in Bezug auf die Gesamtvolumenkonzentration. In Bezug auf die SSA wurde jedoch ein Unterscied festgestellt, wobei die Lidarinversion auf stark streuende Partikel und die in-situ Messungen auf absorbierende Partikel hinwiesen. Die Abweichungen könnten auf Annahmen bei der Inversion (z.B. wellenlängenunabhängiger Brechungsindex) und auf Fehler bei der Umrechnung der in-situ gemessenen Lichtdämpfung in Absorption zurückzuführen sein. Eine weitere Ursache der Diskrepanz könnte auf eine unvollständige Erfassung von Feinpartikeln in den insitu-Sensoren zurückzuführen sein. Die Unstimmigkeit über diesen wichtigsten Parameter für die arktische ARE macht weitere Untersuchungen im Rahmen von Aerosolschließungsexperimenten erforderlich. Vorsicht ist bei der ARE-aus Modellierungsstudien geboten, bei denen entweder in-situ- oder lidar-abgeleitete SSA als Input verwendet werden. Eine zuverlässige Charakterisierung von Zirruswolken ist erforderlich, um die Abschätzung ihrer Strahlungswirkung zu verbessern. Von besonderer Bedeutung ist dabei der Nachweis von sub-visible Zirrus. Der Wolkenstrahlungseffekt (CRE) fällt zu negativ aus, wenn nur der optisch dünne und opake Zirrus berücksichtigt werden. Daher wurde ein ZirrusErkennungsschema basierend auf Lidardaten entwickelt. Das Schema verwendet die Wavelet– Kovarianz–Transformation (WCT), erweitert um dynamische Schwellenwerte. Die dynamische WCT zeigte eine hohe Empfindlichkeit gegenüber schwachen und dünnen Zirrusschichten von weniger als 200 m Mächtigkeit. Das optische Charakterisierungsschema erweiterte die Klett–Fernald–Retrieval durch iterative Lidar-Ratio (LR) Bestimmung (constrained Klett). Der iterative Prozess wurde durch einen Referenzwert eingeschränkt, der die Aerosolkonzentration unterhalb der Zirruswolke angab. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen brauchte keine Aerosolfreiheit angenommen zu werden. Stattdessen wurden realistischere Annahmen unter der Wolke verwendet. Die inhärenten Unsicherheiten des eingeschränkten Kletts waren bei optisch dünneren Zirren höher, aber insgesamt wurde eine gute Übereinstimmung mit zwei etablierten Retrievals gefunden. Darüber hinaus konnten die bestehenden Ansätze, die auf aerosolfreien Annahmen beruhen, ebenfalls verbessert werden, wenn der vorgeschlagene Referenzwert verwendet wurde. Der constrained Klett konnte die optischen Eigenschaften in allen Zirrusregimen zuverlässig abrufen, einschliesslich der oberen sub-visible Zirren mit COD bis hinunter zu 0,02. Zirrus ist die einzige Wolkengattung, die tagsüber am Atmosphärenoberrand entweder eine Kühlung oder eine Erwärmung hervorrufen kann. Über der Arktis sind die Eigenschaften und das CRE von Zirrus bislang nur wenig erforscht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden erstmals mit dem neuentwickelten Retrieval-Schema deren langfristige geometrische und optische Eigenschaften an einem arktischen Standort untersucht. Zirruswolken über Ny-Ålesund schienen im sichtbaren Spektralbereich absorbierender zu sein als in den niedrigen Breiten und mehr kugelförmige Eispartikel zu enthalten. Solche meridididialen Unterschiede könnten mit Diskrepanzen der absoluten Luftfeuchtigkeit und der Eiskeimbildung zusammenhängen. Tendenziell sank die COD bei weniger kugelförmigen und kleineren Eispartikeln, was wahrscheinlich auf eine geringere Wasserdampfablagerung an der Partikeloberfläche zurückzuführen ist. Die optischen Eigenschaften des Zirrus zeigten eine geringe Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Windbedingungen. In den 10 Jahren der Analyse konnte kein eindeutiger zeitlicher Trend und kein ausgeprägter saisonaler Zyklus festgestellt werden. Ein positives netto-CRE wurde für ein breites Spektrum von repräsentative Wolkeneigenschaften und Umgebungsbedingungen festgestellt. Für hohe COD (über 10) wurde jedoch ein negatives netto-CRE über der Tundra ermittelt, im Gegensatz zu Schnee- / Eisoberflächen. Folglich scheint die COD in Verbindung mit der Oberflächenalbedo die kritischste Rolle bei der Bestimmung des CRE über der hohen europäischen Arktis zu spielen.…