Remote sensing of mixed-phase clouds and their evolution during marine cold air outbreaks in the Arctic

Weber, Anna (2025): Remote sensing of mixed-phase clouds and their evolution during marine cold air outbreaks in the Arctic. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The Arctic is warming faster than the global average as a result of climate change. Mixed-phase clouds and meridional transports of heat and moisture during cold air outbreaks play an important role in Arctic amplification, and must be considered alongside the effects of strong albedo changes due to melting sea ice. However, mixed-phase clouds, and in particular, their thermodynamic phase partitioning and evolution during cold air outbreaks are not well represented in models, leading to large uncertainties in future climate projections. Observational data is needed to provide constraints to models and further the process understanding. This work aims to characterize macro- and microphysical properties of Arctic mixed-phase clouds and their evolution during marine cold air outbreaks using quasi-Lagrangian airborne observations of the hyperspectral and polarized imaging system specMACS during the HALO-(AC)3 measurement campaign. In particular, the cloud thermodynamic phase and phase transitions were investigated. To this end, a new quantitative retrieval of cloud thermodynamic phase partitioning from multi-angle polarimetric imaging was developed. As part of this work, the polarization-resolving cameras of specMACS were calibrated and characterized for the first time using laboratory calibration measurements. The calibration allows computation of absolute calibrated, georeferenced Stokes vectors from raw data. A sensitivity study showed that 3D radiative effects related to 3D cloud geometry cannot be neglected for low-level Arctic mixed-phase clouds, but 3D radiative transfer simulations are computationally expensive. Therefore, a parameterization of 3D cloud geometry for polarized 3D radiative transfer in the visible wavelength range, the InDEpendent column local halF-sphere ApproXimation (IDEFAX), was developed. Based on this, a neural-network-based fast forward operator was constructed and validated for a simulated realistic field of Arctic mixed-phase clouds. Next, the new quantitative polarized phase retrieval was developed. The basic idea behind this retrieval is to fit simulated multi-angle polarization signals obtained from the forward operator to measurements of specMACS to determine a quantitative ice fraction. The retrieval was validated using synthetic data for idealized cloud cases, as well as a realistic field of Arctic mixed-phase clouds. The evolution of cloud properties was analyzed for a case study of a strong cold air outbreak by combining measurements with backward trajectories. With increasing time spent over open ocean, cloud top height and horizontal extent increased while cloud fraction remained almost constant. Moreover, an initial increase in droplet radii, coinciding with a transition from the liquid to the mixed-phase regime, was observed. An analysis of the temperature dependence of the cloud thermodynamic phase indicated that ice formation through freezing occurred preferentially at the coldest temperatures. Moreover, a geometrically thin, more liquid-dominated layer was located at the cloud top, in accordance with previous studies. In addition, the influence of ice processes on supercooled liquid water droplets was investigated. The measurements could be realistically described by assuming an adiabatic cloud model. The influence of collision-coalescence and ice processes, such as riming, the Wegener-Bergeron-Findeisen mechanism, and ice formation through freezing on the droplet radius was negligible. Furthermore, the variability of cloud evolution during all observed cold air outbreaks was large. Larger and faster increasing cloud top heights, cloud sizes, and droplet radii were observed for stronger events. In addition, the transition from the liquid to the mixed-phase regime was earlier and ice fractions were higher during stronger events. The analyses and methods developed in this work provide unique observational data of mixed-phase clouds, their thermodynamic phase partitioning, and evolution during marine cold air outbreaks in the Arctic which can be used for model evaluation to improve the representation of these clouds.

Abstract

Die Arktis erwärmt sich im Zuge des Klimawandels stärker als das globale Mittel. Neben starken Albedoveränderungen durch schmelzendes Meereis spielen Mischphasenwolken und meridionaler Feuchte- und Wärmetransport während Kaltluftausbrüchen eine wichtige Rolle für die arktische Verstärkung. Allerdings sind Mischphasenwolken und insbesondere deren thermodynamisches Phasenverhältnis und Entwicklung während Kaltluftausbrüchen nicht gut in Modellen dargestellt, was zu großen Unsicherheiten in Vorhersagen des zukünftigen Klimas führt. Beobachtungsdaten werden benötigt, um Modelle und Prozessverständnis zu verbessern. Ziel dieser Arbeit ist es, die makro- und mikrophysikalischen Eigenschaften von arktischen Mischphasenwolken und deren Entwicklung während mariner Kaltluftausbrüche zu charakterisieren. Dazu wurden quasi-lagrangesche, flugzeuggestützte Messungen des hyperspektralen und polarisationssensitiven Kamerasystems specMACS während der HALO-(AC)3-Messkampagne verwendet. Insbesondere wurden die thermodynamische Wolkenphase und Phasenübergänge untersucht. Hierzu wurde eine neue quantitative Methode zur Bestimmung des Phasenverhältnisses basierend auf Polarisationsmessungen entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Polarisationskameras von specMACS erstmals anhand von Labormessungen kalibriert und charakterisiert. Die Kalibrierung ermöglicht die Berechnung von absolut kalibrierten, georeferenzierten Stokes-Vektoren aus den Rohdaten. Eine Sensitivitätsstudie zeigte, dass 3D-Strahlungseffekte aufgrund der 3D-Wolkengeometrie für arktische Mischphasenwolken nicht vernachlässigbar sind. Allerdings sind 3D-Strahlungstransportsimulationen sehr rechenintensiv. Daher wurde eine Parametrisierung der 3D-Wolkengeometrie für polarisierten 3D-Strahlungstransport im sichtbaren Wellenlängenbereich, die „InDEpendent column local halF-sphere ApproXimation“ (IDEFAX), entwickelt. Davon ausgehend wurde ein schneller Vorwärtsoperator, der auf einem neuronalen Netz basiert, konstruiert und für ein simuliertes, realistisches Feld arktischer Mischphasenwolken validiert. Als nächstes wurde die quantitative Methode zur Bestimmung des Phasenverhältnisses entwickelt. Die Grundidee der Methode besteht darin, mithilfe des Vorwärtsoperators simulierte, winkelabhängige Polarisationssignale an Messungen von specMACS zu fitten, um einen quantitativen Eisanteil zu bestimmen. Die Methode wurde anhand synthetischer Daten für idealisierte Wolkenfälle sowie ein realistisches Feld arktischer Mischphasenwolken validiert. Die Entwicklung der Wolkeneigenschaften wurde zunächst für eine Fallstudie eines starken Kaltluftausbruchs analysiert. Hierfür wurden Messungen mit Rückwärtstrajektorien kombiniert. Mit zunehmender Aufenthaltszeit über dem Ozean wurden zunehmende Wolkenobergrenzen und horizontale Wolkengrößen, ein nahezu konstanter Bedeckungsgrad und anfänglich zunehmende Tröpfchenradien beobachtet. Zeitgleich mit der Zunahme des Tröpfchenradius wurde ein Phasenübergang von Flüssigwasser- zu Mischphasenwolken detektiert. Eine Analyse der Temperaturabhängigkeit der thermodynamischen Phase der Wolke zeigte, dass Eisbildung durch Gefrieren vorzugsweise bei den kältesten Temperaturen stattfand. Darüber hinaus befand sich in Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen eine geometrisch dünne, stärker flüssigwasserdominierte Schicht an der Wolkenobergrenze. Außerdem wurde der Einfluss von Eisprozessen auf die unterkühlten Wolkentröpfchen untersucht. Unter der Annahme eines adiabatischen Wolkenmodells ließen sich die Messungen realistisch beschreiben. Der Einfluss von Kollision und Koaleszenz und Eisprozessen wie Riming, dem Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozess oder Eisbildung durch Gefrieren auf die Tröpfchenradien war vernachlässigbar. Die Variabilität der Wolkenentwicklung während aller beobachteten Kaltluftausbrüche war groß. Bei stärkeren Ereignissen wurden größere und schneller ansteigende Wolkenobergrenzen, Wolkengrößen und Tröpfchenradien beobachtet. Zudem erfolgte der Phasenübergang von Flüssigwasser- zu Mischphasenwolken früher und höhere Eisanteile wurden erreicht. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden und Analysen liefern einzigartige Beobachtungsdaten zu Mischphasenwolken, deren Phasenverhältnis und Entwicklung während mariner Kaltluftausbrüche in der Arktis. Diese Daten können zur Evaluierung von Modellen verwendet werden, um die Darstellung dieser Wolken zu verbessern.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: cloud microphysics, mixed-phase clouds, Arctic, remote sensing, polarimetry, airborne measurements, 3D radiative transfer
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 10. Dezember 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Mayer, Bernhard