On the Discrimination and Interaction of Droplets and Ice in Mixed-Phase Clouds (Phasendiskriminierung und Interaktion von Wassertropfen und Eispartikeln in Mischphasenwolken)

Mixed-phase clouds, consisting of both supercooled liquid droplets and ice particles, play a major role in the life cycle of clouds and the radiative balance of the Earth. However, mixed-phase cloud processes are still rather poorly understood and represent a great source of uncertainty for climate predictions. The main reason for this is the insufficient understanding of the microphysical properties of mixed-phase cloud particles. The biggest challenge is the correct discrimination of droplets and ice particles.
In this work, the Particle Habit Imaging and Polar Scattering (PHIPS) probe, an airborne in situ cloud instrument, is used to investigate the composition and microphysical properties of mixed-phase clouds. ... mehrIt combines optical microscopy with polar nephelometry to simultaneously measure the angular scattering behaviour while acquiring stereo-microscopic images of single cloud particles. Based on PHIPS data, a novel method to determine the phase of individual cloud particles based on their angular light scattering behaviour is presented. Comparisons with manually classified in situ data show that the algorithm is able to confidently discriminate spherical droplets and aspherical ice particles with a 98% accuracy.
Furthermore, a sizing method based on single particle scattering data is presented. Combined, this allows the determination of phase discriminated particle size distributions in a size range of $50 \leq D \leq 700 \, \text{µm}$ and $20 \leq D \leq 700 \, \text{µm}$ for droplets and ice, respectively. This fills the gap between the commonly used forward scattering instruments and optical array probes. The PHIPS probe was deployed during three in situ aircraft field campaigns in the Southern Ocean, the Arctic and the US east coast. In over 250 flight hours, an extensive data set of single particle microphysical data over a wide range of ambient cloud conditions was acquired. Using the aforementioned newly developed methods, the phase composition of the sampled clouds is analysed and the difference between clouds in high latitudes of the northern and southern hemisphere is discussed.
Furthermore, riming, the accretion of droplets by ice particles, is investigated based on manual classification of PHIPS' stereo-micrographs. Riming is observed on over 30% of the investigated ice particles in a size range from $20 \leq D \leq 700 \, \text{µm}$ in clouds between -10$^\circ$C$\,\leq\,$T$\,\leq\,$0$^\circ$C. The meteorological conditions of riming are investigated and the correlation of ambient parameters with riming state and riming degree are discussed. It is shown that riming increases the light scattering in the angular range from $\theta = 42^\circ\,\text{and}\,170^\circ$ by up to 135% compared to unrimed particles. Further, particles with faceted, crystalline build-up which is aligned to the lattice structure of the underlying particle are described. For these particles, which are believed to be the result of vapor deposition during the ageing process of rimed particles, the term "epitaxial riming" is proposed.

Mischphasenwolken bestehend aus unterkühlten Wassertröpfchen und Eispartikeln spielen eine bedeutende Rolle für den Lebenskreislauf von Wolken und beeinflussen das Strahlungsgleichgewicht der Erde. Die exakten Wolkenprozesse in Mischphasenwolken sind bisher noch recht schlecht verstanden und stellen so einen signifikanten Unsicherheitsfaktor für Klimavorhersagemodelle dar. Die größte Herausforderung ist dabei die korrekte Unterscheidung von Eispartikeln und Wassertröpfchen.
In dieser Arbeit werden die Zusammensetzung und mikrophysikalischen Eigenschaften von Mischphasenwolken mithilfe des Particle Habit Imaging and Polar Scattering (PHIPS) Messgeräts untersucht. ... mehrPHIPS ist ein flugzeuggetragenes Messinstrument welches optische Mikroskopie mit Polarnephelometrie verbindet und so gleichzeitig mikroskopische Stereo-Bildaufnahmen von individuellen Wolkenpartikeln aufnimmt und simultan deren Streueigenschaften misst. Basierend auf PHIPS Daten wird eine neu entwickelte Methode präsentiert, mit der die Phase von individuellen Wolkenpartikeln auf Basis ihrer Streueigenschaften bestimmt werden kann. Der Vergleich mit händisch klassifizierten in situ Daten zeigt, dass der Algorithmus in der Lage ist, verlässlich sphärische Tröpfchen und aspherische Eispartikel zu unterscheiden. Die Diskriminierungsgenauigkeit übersteigt 98%. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt, mit welcher die Größe von diesen individuellen Partikeln basierend auf der Intensität des gestreuten Lichts bestimmt werden kann. Kombiniert können damit phasendiskriminierte Größenverteilungen von Tröpfchen und Eispartikeln im Größenbereich $50 \leq D \leq 700 \, \text{µm}$ und $20 \leq D \leq 700 \, \text{µm}$ errechnet werden. Das füllt die Lücke zwischen den gemeinhin genutzten Messinstrumenten welche die Vorwartsstreueigenschaften von Wolkenpartikeln messen oder deren Schattenbilder detektieren.
PHIPS wurde bei drei in situ Flugzeugmesskampagnen über dem Südlichen Ozean, der Arktis und der Ostküste der USA eingesetzt. In über 250 Flugstunden wurde ein ausgiebiger Datensatz von individuellen Wolkenpartikeln mit verschiedenen mikrophysikalischen Eigenschaften in unterschiedlichen meteorologischen Umgebungsbedingungen aufgenommen. Mithilfe der vorgestellten neuen Methoden wurden damit die Phasenzusammensetzung der geprobten Wolken untersucht und die Unterschiede zwischen Mischphasenwolken in der nördlichen und südlichen Hemisphäre diskutiert.
Weiterhin wurde das Bereifen von Eispartikeln durch kleine Wassertröpfchen untersucht. Basierend auf den von PHIPS aufgenommenen Stereomikrographen wurden die aufgenommenen Partikel bezüglich ihres Bereifungsgrads klassifiziert. Im Temperaturbereich zwischen $10^\circ$C$\leq T \leq 0^\circ$C weisen über 30% aller untersuchten Eispartikel Anzeichen von Bereifung auf. Die meteorologischen Umgebungsbedingungen von Bereifung werden in dieser Arbeit untersucht und die Korrelation von Bereifungsgrad mit verschiedenen Parametern werden diskutiert. Es wird gezeigt, dass die Lichstreuung im Winkelbereich von $\theta = 42^\circ$ bis $170^\circ$ von bereiften Eispartikeln im Vergleich zu unbereiften Partikeln um bis zu 135% verstärkt ist. Außerdem werden Partikel beschrieben, welche kristalline Aufbauten mit klar definierten Kanten aufweisen, die parallel zu der Kristallstruktur des zugrundeliegenden Partikels ausgerichtet sind. Für dieses Phänomen, das durch das Altern von bereiften Partikeln entsteht, wird der Terminus "epitaxiale Bereifung" vorgeschlagen.