Abstract A climatology of thermodynamic phase of precipitating cloud is presented derived from global—land and ocean—, retrievals from Cloudsat, CALIPSO, and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer. Like precipitation rate, precipitation frequency is dominated by warm rain, defined as rain produced via the liquid phase only, over the tropical oceans outside the Intertropical Convergence Zone and by cold rain, produced via the ice phase, over the midlatitude oceans and continents. Warm rain is very infrequent over the continents, with significant warm rain found only in onshore flow in the tropics, and over India, China, and Indochina. Comparison of the properties of precipitating and nonprecipitating warm clouds shows that the scarcity of warm rain over land can be explained by smaller effective radii in continental clouds that delay the onset of precipitation. The results highlight the importance of ice‐phase processes for the global hydrological cycle and may lead to an improved parameterization of precipitation in general circulation models.

Large‐eddy simulations (LES) with the new ICOsahedral Non‐hydrostatic atmosphere model (ICON) covering Germany are evaluated for four days in spring 2013 using observational data from various sources. Reference simulations with the established Consortium for Small‐scale Modelling (COSMO) numerical weather prediction model and further standard LES codes are performed and used as a reference. This comprehensive evaluation approach covers multiple parameters and scales, focusing on boundary‐layer variables, clouds and precipitation. The evaluation points to the need to work on parametrizations influencing the surface energy balance, and possibly on ice cloud microphysics. The central purpose for the development and application of ICON in the LES configuration is the use of simulation results to improve the understanding of moist processes, as well as their parametrization in climate models. The evaluation thus aims at building confidence in the model's ability to simulate small‐ to mesoscale variability in turbulence, clouds and precipitation. The results are encouraging: the high‐resolution model matches the observed variability much better at small‐ to mesoscales than the coarser resolved reference model. In its highest grid resolution, the simulated turbulence profiles are realistic and column water vapour matches the observed temporal variability at short time‐scales. Despite being somewhat too large and too frequent, small cumulus clouds are well represented in comparison with satellite data, as is the shape of the cloud size spectrum. Variability of cloud water matches the satellite observations much better in ICON than in the reference model. In this sense, it is concluded that the model is fit for the purpose of using its output for parametrization development, despite the potential to improve further some important aspects of processes that are also parametrized in the high‐resolution model.

Abstract. This study presents airborne in situ and satellite remote sensing climatologies of cirrus clouds and humidity. The climatologies serve as a guide to the properties of cirrus clouds, with the new in situ database providing detailed insights into boreal midlatitudes and the tropics, while the satellite-borne data set offers a global overview. To this end, an extensive, quality-checked data archive, the Cirrus Guide II in situ database, is created from airborne in situ measurements during 150 flights in 24 campaigns. The archive contains meteorological parameters, ice water content (IWC), ice crystal number concentration (Nice), ice crystal mean mass radius (Rice), relative humidity with respect to ice (RHice), and water vapor mixing ratio (H2O) for each of the flights. Depending on the parameter, the database has been extended by about a factor of 5–10 compared to earlier studies. As one result of our investigation, we show that the medians of Nice, Rice, and RHice have distinct patterns in the IWC–T parameter space. Lookup tables of these variables as functions of IWC and T can be used to improve global model cirrus representation and remote sensing retrieval methods. Another outcome of our investigation is that across all latitudes, the thicker liquid-origin cirrus predominate at lower altitudes, while at higher altitudes the thinner in situ-origin cirrus prevail. Further, examination of the radiative characteristics of in situ-origin and liquid-origin cirrus shows that the in situ-origin cirrus only slightly warm the atmosphere, while liquid-origin cirrus have a strong cooling effect. An important step in completing the Cirrus Guide II is the provision of the global cirrus Nice climatology, derived by means of the retrieval algorithm DARDAR-Nice from 10 years of cirrus remote sensing observations from satellite. The in situ measurement database has been used to evaluate and improve the satellite observations. We found that the global median Nice from satellite observations is almost 2 times higher than the in situ median and increases slightly with decreasing temperature. Nice medians of the most frequently occurring cirrus sorted by geographical regions are highest in the tropics, followed by austral and boreal midlatitudes, Antarctica, and the Arctic. Since the satellite climatologies enclose the entire spatial and temporal Nice occurrence, we could deduce that half of the cirrus are located in the lowest, warmest (224–242 K) cirrus layer and contain a significant amount of liquid-origin cirrus. A specific highlight of the study is the in situ observations of cirrus and humidity in the Asian monsoon anticyclone and the comparison to the surrounding tropics. In the convectively very active Asian monsoon, peak values of Nice and IWC of 30 cm−3 and 1000 ppmv are detected around the cold point tropopause (CPT). Above the CPT, ice particles that are convectively injected can locally add a significant amount of water available for exchange with the stratosphere. We found IWCs of up to 8 ppmv in the Asian monsoon in comparison to only 2 ppmv in the surrounding tropics. Also, the highest RHice values (120 %–150 %) inside of clouds and in clear sky are observed around and above the CPT. We attribute this to the high H2O mixing ratios (typically 3–5 ppmv) observed in the Asian monsoon compared to 1.5 to 3 ppmv found in the tropics. Above the CPT, supersaturations of 10 %–20 % are observed in regions of weak convective activity and up to about 50 % in the Asian monsoon. This implies that the water available for transport into the stratosphere might be higher than the expected saturation value.

Abstract. The impact of aerosols on cloud properties is one of the largest uncertainties in the anthropogenic radiative forcing of the climate. Significant progress has been made in constraining this forcing using observations, but uncertainty remains, particularly in the magnitude of cloud rapid adjustments to aerosol perturbations. Cloud liquid water path (LWP) is the leading control on liquid-cloud albedo, making it important to observationally constrain the aerosol impact on LWP. Previous modelling and observational studies have shown that multiple processes play a role in determining the LWP response to aerosol perturbations, but that the aerosol effect can be difficult to isolate. Following previous studies using mediating variables, this work investigates use of the relationship between cloud droplet number concentration (Nd) and LWP for constraining the role of aerosols. Using joint-probability histograms to account for the non-linear relationship, this work finds a relationship that is broadly consistent with previous studies. There is significant geographical variation in the relationship, partly due to role of meteorological factors (particularly relative humidity). The Nd–LWP relationship is negative in the majority of regions, suggesting that aerosol-induced LWP reductions could offset a significant fraction of the instantaneous radiative forcing from aerosol–cloud interactions (RFaci). However, variations in the Nd–LWP relationship in response to volcanic and shipping aerosol perturbations indicate that the Nd–LWP relationship overestimates the causal Nd impact on LWP due to the role of confounding factors. The weaker LWP reduction implied by these “natural experiments” means that this work provides an upper bound to the radiative forcing from aerosol-induced changes in the LWP.

More than one hundred days were simulated over very large domains with fine (0.156 km to 2.5 km) grid spacing for realistic conditions to test the hypothesis that storm (kilometer) and large-eddy (hectometer) resolving simulations would provide an improved representation of clouds and precipitation in atmospheric simulations. At scales that resolve convective storms (storm-resolving for short), the vertical velocity variance becomes resolved and a better physical basis is achieved for representing clouds and precipitation. Similarly to past studies we found an improved representation of precipitation at kilometer scales, as compared to models with parameterized convection. The main precipitation features (location, diurnal cycle and spatial propagation) are well captured already at kilometer scales, and refining resolution to hectometer scales does not substantially change the simulations in these respects. It does, however, lead to a reduction in the precipitation on the time-scales considered – most notably over the ocean in the tropics. Changes in the distribution of precipitation, with less frequent extremes are also found in simulations incorporating hectometer scales. Hectometer scales appear to be more important for the representation of clouds, and make it possible to capture many important aspects of the cloud field, from the vertical distribution of cloud cover, to the distribution of cloud sizes, and to the diel (daily) cycle. Qualitative improvements, particularly in the ability to differentiate cumulus from stratiform clouds, are seen when one reduces the grid spacing from kilometer to hectometer scales. At the hectometer scale new challenges arise, but the similarity of observed and simulated scales, and the more direct connection between the circulation and the unconstrained degrees of freedom make these challenges less daunting. This quality, combined with already improved simulation as compared to more parameterized models, underpins our conviction that the use and further development of storm-resolving models offers exciting opportunities for advancing understanding of climate and climate change.

Abstract. The thermodynamic phase of clouds in low and middle levels over the Southern Ocean and the Arctic marine regions is poorly known, leading to uncertainties in the radiation budget in weather and climate models. To improve the knowledge of the cloud phase, we analyse 2 years of the raDAR-liDAR (DARDAR) dataset based on active satellite instruments. We classify clouds according to their base and top height and focus on low-, mid-, and mid- to low-level clouds as they are the most frequent in the mixed-phase temperature regime. Low-level single-layer clouds occur in 8 %–15 % of all profiles, but single-layer clouds spanning the mid-level also amount to approx. 15 %. Liquid clouds show mainly a smaller vertical extent but a horizontally larger extent compared to ice clouds. The results show the highest liquid fractions for low-level and mid-level clouds. Two local minima in the liquid fraction are observed around cloud top temperatures of −15 and −5 °C. Mid-level and mid- to low-level clouds over the Southern Ocean and low-level clouds in both polar regions show higher liquid fractions if they occur over sea ice compared to the open ocean. Low-level clouds and mid- to low-level clouds with high sea salt concentrations, used as a proxy for sea spray, show reduced liquid fractions. In mid-level clouds, dust shows the largest correlations with liquid fraction, with a lower liquid fraction for a higher dust aerosol concentration. Low-level clouds clearly show the largest contribution to the shortwave cloud radiative effect in both polar regions, followed by mid- to low-level clouds.