Characterizing the distribution of relative humidity in ice-clouds depending on location, evolution and meteorological conditions

Dekoutsidis, Georgios (2024): Characterizing the distribution of relative humidity in ice-clouds depending on location, evolution and meteorological conditions. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Ice-clouds, found in the upper troposphere, cold, comparably thin and made up of ice crystals, play a significant role in the earth’s atmosphere system, mainly by affecting the radiation budget. Due to their unique characteristics among the clouds, they cause a net annual warming globally, thus contributing to phenomena like global warming and arctic amplification, i.e. the accelerated warming of the arctic. Their macrophysical and optical characteristics, as well as their radiative effects are strongly dependent on their microphysical properties. These are in turn largely decided already during their formation, but might change as the cloud evolves. The process that takes place during the formation of ice clouds is itself steered by the location of the clouds and the ambient meteorological conditions. The relative humidity over ice (RHi) is a parameter that connects the macrophysical to the microphysical properties. Depending on the ambient RHi an ice crystal forms following different pathways leading to clouds that have different microphysical properties. The vertical structure and distribution of RHi within an ice cloud changes with the clouds evolution and can be used as an indicator of the clouds age. Despite the abovementioned, the understanding of how different ambient conditions affect the formation and evolution of ice clouds and the small-scale microphysical processes that take place during their formation are not yet completely understood, which also leads to challenges in their modelling. Moreover, their exact radiative effects are also not perfectly quantified, although it is accepted that they cause warming. Ice-clouds are also frequently underrepresented in many global forecasting models, which use simple parametrizations, frequently not allowing high RHi values necessary for ice-cloud formation via all possible pathways. In this work the RHi within and in the vicinity of ice-clouds measured by means of airborne lidar over the mid- and high latitudes is analyzed. Its dependence on location, ambient conditions and cloud age is investigated. It is found that ice-clouds that formed over the arctic are more frequently detected with high RHi values, indicating a difference in their formation process. After studying two cases over the midlatitudes, it is found that clouds at different evolutionary stages have a distinct RHi signature. Regarding the formation process, it is found that clouds that formed in-situ over the midlatitudes are generally colder and more frequently subsaturated compared to ice-clouds with a liquid predecessor cloud. Ice-clouds over the arctic are studied depending on the ambient conditions. Clouds that were measured during intrusions of warm air into the arctic from the midlatitudes were geometrically and optically thicker compared to clouds measured in undisturbed arctic conditions and more frequently supersaturated. A study of the microphysical properties also revealed differences for the two cloud types.

Abstract

Eiswolken befinden sich in der oberen Troposphäre, sind kalt und vergleichsweise dünn und bestehen aus Eiskristallen. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Erdatmosphäre, vor allem indem sie den Strahlungshaushalt beeinflussen. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften unter den Wolken, verursachen sie weltweit eine jährliche Nettoerwärmung und tragen so zu Phänomenen wie der globalen Erwärmung und der arktischen Verstärkung, d. h. der beschleunigten Erwärmung der Arktis, bei. Ihre makrophysikalischen und optischen Eigenschaften sowie ihre Strahlungseffekte sind stark von ihren mikrophysikalischen Eigenschaften abhängig. Diese wiederum, werden größtenteils bereits während ihrer Entstehung festgelegt, können sich aber im Laufe der Entwicklung der Wolke ändern. Der Prozess, der bei der Bildung von Eiswolken stattfindet, wird seinerseits durch die Lage der Wolken und die meteorologischen Umgebungsbedingungen beeinflusst. Die relative Luftfeuchtigkeit über Eis (RHi) ist ein Parameter, der die makrophysikalischen mit den mikrophysikalischen Eigenschaften verbindet. Je nach Umgebungsfeuchte bildet sich ein Eiskristall auf verschiedenen Wegen, was zu Wolken mit unterschiedlichen mikrophysikalischen Eigenschaften führt. Die vertikale Struktur und Verteilung von RHi innerhalb einer Eiswolke ändert sich mit der Entwicklung der Wolke und kann als Indikator für ihr Alter verwendet werden. Die Auswirkungen unterschiedlicher Umgebungsbedingungen auf die Bildung und Entwicklung von Eiswolken und die kleinräumigen mikrophysikalischen Prozesse, die während ihrer Bildung ablaufen, sind noch nicht vollständig verstanden, was auch zu Problemen bei ihrer Modellierung führt. Darüber hinaus sind auch ihre Strahlungseffekte noch nicht genau quantifiziert, obwohl anerkannt ist, dass sie eine Erwärmung verursachen. Eiswolken sind auch in vielen globalen Vorhersagemodellen häufig unterrepräsentiert, da diese einfache Parametrisierungen verwenden, die häufig keine hohen RHi-Werte zulassen, die für ihre Bildung erforderlich sind. In dieser Arbeit wird der RHi-Wert innerhalb und in der Nähe von Eiswolken analysiert, der mit Hilfe von luftgestützten Lidar-Messungen über den mittleren und hohen Breiten gemessen wurde. Untersucht wird seine Abhängigkeit von Standort, Umgebungsbedingungen und Wolkenalter. Es zeigt sich, dass Eiswolken, die sich über der Arktis gebildet haben, häufiger hohe RHi-Werte aufweisen, was auf einen Unterschied in ihrem Entstehungsprozess hinweist. Nach der Untersuchung von Fällen über den mittleren Breiten wird festgestellt, dass Wolken in verschiedenen Entwicklungsstadien eine deutliche RHi-Signatur aufweisen. In Bezug auf den Entstehungsprozess wird festgestellt, dass Wolken, die sich in-situ über den mittleren Breiten gebildet haben, im Allgemeinen kälter und häufiger untersättigt sind als Eiswolken die aus einer Flüssigen Wolke stammen. Eiswolken über der Arktis werden in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen untersucht. Wolken, die während des Eindringens von Warmluft aus den mittleren Breiten in die Arktis gemessen wurden, waren im Vergleich zu Wolken, die unter ungestörten arktischen Bedingungen gemessen wurden, geometrisch und optisch dicker und häufiger übersättigt. Eine Untersuchung der mikrophysikalischen Eigenschaften ergab ebenfalls Unterschiede zwischen den beiden Wolkentypen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 19. Dezember 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Rapp, Markus