Airborne and ground-based holographic measurement of hydrometeors in liquid-phase, mixed-phase and ice clouds

• Main Author: Schlenczek, Oliver
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 2018
• Subjects: ddc:530; Arktis*
• Online Access: https://openscience.ub.uni-mainz.de/handle/20.500.12030/4126; https://hdl.handle.net/20.500.12030/4126; https://doi.org/10.25358/openscience-4124

In dieser Arbeit wurde ein neues Instrument zur Messung von Hydrometeoren entwickelt, das zum Einsatz auf Forschungsflugzeugen bestimmt ist. Es basiert auf dem Prinzip der digitalen Einstrahl-Holografie und liefert sechsmal pro Sekunde eine Aufnahme des Interferenzmusters aus einem Messvolumen von ca. 35 Kubikzentimetern. Mithilfe von numerischer Rekonstruktion wird daraus die Position und ein fokussiertes zweidimensionales Bild eines jeden Partikels berechnet, das zum Zeitpunkt des Laserpulses im Volumen war. Aus den rekonstruierten Bildern werden schließlich die Partikelgröße sowie Volumen und Oberfläche bestimmt. Dieses neue Instrument "HALOHolo" wurde mittels verschiedener Messungen im Labor bezüglich Genauigkeit der Größenbestimmung und Detektierbarkeit der Partikel kalibriert. Ein Vergleich mit anderen Instrumenten während mehrerer Messflüge konnte die zuvor ermittelten Zusammenhänge im Wesentlichen bestätigen. Aus drei verschiedenen Flugzeugmesskampagnen auf zwei unterschiedlichen Flugzeugen wurden Messungen in Flüssigphasenwolken, Eiswolken und Mischphasenwolken durchgeführt. Bei den Messungen in Flüssigphasenwolken, es handelte sich um arktische Stratocumuluswolken, wurde der Zusammenhang zwischen der Variabilität in der Anzahlkonzentration der Tropfen und dem mittleren Tropfendurchmesser untersucht. Die viel größere Variabilität in der Anzahlkonzentration lässt auf inhomogene Vermischung zwischen Wolkenluft und Umgebungsluft schließen. In einem sich entwickelnden tropischen Regenschauer konnte die mikrophysikalische Entwicklung während des Vereisungsprozesses dokumentiert werden. Von besonderem Interesse war die lokale Umgebung von Eiskristallen in der Mischphasenregion. Dort konnte festgestellt werden, dass die meisten Messungen für eine homogene Durchmischung zwischen Eis und Wolkentropfen auf räumlichen Skalen von wenigen Millimetern bis Zentimetern sprechen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass große bereifte Eispartikel (Graupel) häufig zusammen mit deutlich kleineren, säulenförmigen Eiskristallen ...