Universität zu Köln

Schirmacher, Imke ORCID: 0000-0003-4438-3077 (2024). Characterization of Arctic low-level clouds and precipitation over the Fram Strait by airborne radar observations. PhD thesis, Universität zu Köln.

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• Characterization of Arctic low-level clouds and precipitation over the Fram Strait by airborne radar observations. (deposited 04 Mar 2025 14:00) [Currently Displayed]

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Abstract

Clouds are dominant features in the Earth’s atmosphere, particularly in the Arctic. There, specifically, low-level clouds are common that frequently consist of both supercooled liquid and ice simultaneously and are thus called mixed-phase clouds. These clouds and their precipitation substantially impact the Earth’s radiative budget by warming the surface and also affect the Earth’s water cycle. However, limited observations of Arctic low-level clouds and precipitation lead to persistent uncertainties in their occurrence and the distribution of liquid and ice. The latter uncertainty has been indicated to cause a disagreement in the sign of the cloud feedback in the Arctic across climate models. To clarify the role of low-level clouds in the Arctic,accurate observations of their distribution, microphysics, and precipitation are required over ocean, sea ice, and land. An improved understanding of cloud microphysical processes enhances the understanding of cloud formation, evolution, and lifetime and is therefore necessary to improve weather and climate models. This thesis uses the unique capabilities of airborne radar observations to characterize Arctic low-level clouds and their precipitation with a particular focus on mixed-phase clouds and their development over the Fram Strait, a critical region for Arctic climate change. Airborne down-looking radar observations are especially suitable because they can cover large areas over open ocean and sea ice with a high spatial resolution and can reach close to the surface. This way, they can detect clouds that are not detected by other observational techniques. The investigated airborne observations, which cover more than 25,000 km over the ocean, were conducted during four campaigns that took place within the ArctiC Amplification: Climate Relevant Atmospheric and SurfaCe Processes, and Feedback Mechanisms ((AC)3) project in spring and summer between 2017 and 2022. The first study presented in this thesis highlights the need for airborne radar observations to observe low-level clouds due to limitations in spaceborne radar observations. By simulating spaceborne radar observations using the airborne radar measurements, limitations of spaceborne radars are assessed concerning their coarse horizontal and vertical resolution and their blind zone that covers the lowest kilometer of the atmosphere. Overall, the spaceborne simulations overestimate the observed cloud fraction, particularly when cold and dry air is advected from the central Arctic over the ocean, i. e., marine cold air outbreaks that foster low-level cloud formation. The blind zone of the spaceborne radar simultaneously misses half of the precipitation amount coming mostly from light precipitation events. The second study focuses on marine cold air outbreaks that offer unique conditions to study low-level mixed-phase clouds and their evolution. To characterize the clouds, metrics that describe the roll circulation, as well as cloud macro- and microphysics, are derived from radar observations and investigated along the fetch, i. e., the distance an air mass traveled over an open ocean. For two marine cold air outbreak cases of different strengths and with different microphysical preconditions, discrepancies in cloud and precipitation characteristics, including their evolution within cloud objects, are identified. In contrast, similarities are found regarding their evolution with fetch. Moreover, the study highlights that the evolution of snowfall is influenced by microphysical processes, i. e., riming, that are modified by the roll circulations. The third study aims to constrain snowfall estimates that highly differ among existing data sets. The focus lies on a statistical assessment of snowfall from low-level clouds over the Fram Strait during marine cold air outbreaks. The retrieved snowfall estimates enable an evaluation of the representation of snowfall in reanalyses. Snowfall rates are retrieved from the airborne radar reflectivity observations by applying a power law, a so-called Ze–S relation. An optimal relation has been derived from radar and precipitation gauge observations at Ny-Ålesund, Svalbard. The observed snowfall rates over the Fram Strait during marine cold air outbreaks are, on average, 330 mm year−1 and generally increase with the fetch. Reanalyses have different shortcomings in representing snowfall: the studied global reanalysis overestimates snowfall occurrence, particularly of light snowfall, resulting in a total overestimation of snow accumulation along the flight tracks. In contrast, the studied regional reanalysis underestimates snowfall occurrences and rates. Overall, this thesis provides an improved assessment and process understanding of low-level clouds over the Fram Strait and related snowfall. The findings are a benchmark to evaluate models and further data sets, such as precipitation estimates from the recently launched satellite EarthCARE.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Charakterisierung von arktischen tiefen Wolken und von Niederschlag über der Framstraße durch flugzeuggestützte Radarmessungen German
Translated abstract:	Abstract Language Wolken bedecken große Teile der Erde, insbesondere in der Arktis. Dort treten vor allem niedrige Wolken auf, die häufig gleichzeitig aus unterkühltem Wasser und Eis bestehen. Solche Wolken werden Mischphasenwolken genannt. Sie erwärmen die Erdoberfläche und bilden Niederschlag, weshalb sie einen erheblichen Einfluss auf den Strahlungshaushalt und den Wasserkreislauf der Erde haben. Beobachtungen dieser niedrigen arktischen Wolken sind jedoch begrenzt, weshalb es erhebliche Unsicherheiten bezüglich der Häufigkeits- und Phasenverteilung von Wolken und Niederschlag gibt. Ungenauigkeiten in der Phasenverteilung von Wolkenpartikeln sind sehr wahrscheinlich der Grund für widersprüchliche Wolkenrückkopplungen in der Arktis zwischen verschiedenen Klimamodellen. Um die Rolle der niedrigen Wolken im arktischen Klimasystem besser verstehen zu können, sind genauere Beobachtungen ihres Auftretens, ihrer Mikrophysik und ihres Niederschlags über dem Meer, dem Meereis und dem Land notwendig. Ein detaillierterer Einblick in mikrophysikalische Prozesse verbessert das Verständnis der Wolkenentstehung, -entwicklung und -lebensdauer. Dies ist essenziell, um Wetter- und Klimamodelle verbessern zu können. In dieser Dissertation werden die einzigartigen Möglichkeiten flugzeuggestützter Radarbeobachtungen genutzt, um niedrige Wolken und deren Niederschlag über der Framstraße, einer Region, die stark vom Klimawandel betroffen ist, zu charakterisieren. Dabei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf Mischphasenwolken und deren Entwicklung. Flugzeuggestützte Radarbeobachtungen sind dafür besonders geeignet, weil sie weite Gebiete über dem offenen Meer und dem Meereis mit einer hohen räumlichen Auflösung abdecken können und Wolken bis wenige hundert Meter über der Erdoberfläche detektieren können. Dadurch können sie Wolken messen, welche mit anderen Messmethoden nicht detektierbar sind. Die untersuchten Messungen umfassen eine Strecke von mehr als 25,000 km über dem Meer. Sie wurden im Rahmen des (AC)3 Projektes während vier Kampagnen im Frühjahr und Sommer zwischen 2017 und 2022 aufgezeichnet. Die erste Studie dieser Dissertation betont die Notwendigkeit flugzeuggestützter Radarbeobachtungen für die Erforschung niedriger Wolken, welche nur eingeschränkt durch satellitengestützte Radare detektiert werden. Mithilfe der flugzeuggestützten Radarmessungen werden satellitengestützte Radarbeobachtungen simuliert und Grenzen satellitengestützter Radare im Hinblick auf ihre grobe horizontale und vertikale Auflösung, sowie der Rückstreueffekte vom Erdboden, welche die Messungen im untersten Kilometer überlagern, bewertet. Insgesamt überschätzen die Simulationen die beobachtete Wolkenhäufigkeit, insbesondere dann, wenn kalte und trockene Luft aus der zentralen Arktis über das Meer transportiert wird. Solche Situationen werden marine Kaltluftausbrüche genannt und tragen stark zur Bildung niedriger Wolken bei. Außerdem detektieren satellitengestützte Radare durch die Rückstreueffekte nahe des Erdbodens nur die Hälfte des meist leichten Niederschlags. Die zweite Studie befasst sich mit marinen Kaltluftausbrüchen, die gute Bedingungen für die Untersuchung niedriger Mischphasenwolken und deren Entwicklung bieten. Es werden Metriken zur Beschreibung der mesoskaligen Zirkulation und der Wolkenmakrophysik und -mikrophysik aus Radarbeobachtungen abgeleitet und als Funktion der Entfernung, die eine Luftmasse über dem offenen Meer zurückgelegt hat, untersucht. Zwei unterschiedlich intensive marine Kaltluftausbrüche, die verschiedene mikrophysikalische Voraussetzungen aufweisen, zeigen unterschiedliche Wolken- und Niederschlagscharakteristika. Gerade die Entwicklung der Wolkeneigenschaften innerhalb der Wolkenobjekte ist unterschiedlich, während die Entwicklung mit der zurückgelegten Distanz über dem offenen Meer ähnlich ist. Die Studie zeigt außerdem, dass die Entwicklung des Schneefalls durch mikrophysikalische Prozesse beeinflusst wird, die durch die mesoskaligen Zirkulationen verändert werden. Das Ziel der dritten Studie ist es, Abschätzungen von Schneefallraten zu verbessern, da diese zwischen verschiedenen Datensätzen stark variieren. Dies wird durch eine statistische Analyse des Schneefalls niedriger Wolken erreicht, die während mariner Kaltluftausbrüche über der Framstraße auftreten. Die abgeleiteten Schneefallraten ermöglichen eine Bewertung der Darstellung von Schneefall in Reanalysen. Die Schneefallraten werden von den flugzeuggestützten Beobachtungen der Radarreflektivität ermittelt, indem eine sogenannte Ze–S Beziehung angewendet wird. Diese Beziehung wird aus bodengestützten Beobachtungen eines Radars und eines Niederschlagsmessers aus Ny-Ålesund, Spitzbergen, abgeleitet. Die beobachteten Schneefallraten während mariner Kaltluftausbrüche über der Framstraße betragen im Durchschnitt 330 mm Jahr−1 und nehmen im Allgemeinen mit dem Abstand zur Meereiskante zu. Reanalysen stellen diesen Schneefall unterschiedlich dar: Die untersuchte globale Reanalyse überschätzt das Auftreten von Schneefall, insbesondere der geringen Schneefallraten, und dadurch den akkumulierten Schneefall entlang der Flugrouten. Die untersuchte regionale Reanalyse hingegen unterschätzt das Auftreten von Schneefall sowie die Schneefallraten. Diese Dissertation untersucht niedrige Wolken und deren Niederschlag über der Framstraße und verbessert damit das Prozessverständniss dieser Wolken. Die Ergebnisse können als Referenz für zukünftige Modellevaluierungen und Beobachtungsvalidierungen, wie zum Beispiel des kürzlich gestarteten Satelliten EarthCARE, dienen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schirmacher, Imke imke.schirmacher@web.de orcid.org/0000-0003-4438-3077 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-753489
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Arctic English airborne remote sensing English mixed-phase clouds English precipitation English radar English
Date of oral exam:	13 February 2025
Referee:	Name Academic Title Crewell, Susanne Prof.in Dr.in Kalesse-Los, Heike Prof.in Dr.in
Open access funding:	Deutsche Forschungsgemeinschaft - Project No. 268020496
Projects:	TRR 172 - (AC)3: “ArctiC Amplification: Climate Relevant Atmospheric and SurfaCe Processes, and Feedback Mechanisms ”
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/75348