Abstract. Upper tropospheric observations outside and inside of cirrus clouds indicate water vapour mixing ratios sometimes exceeding water saturation. Relative humidities over ice (RHice) of up to and more than 200% have been reported from aircraft and balloon measurements in recent years. From these observations a lively discussion continues on whether there is a lack of understanding of ice cloud microphysics or whether the water measurements are tainted with large uncertainties or flaws. Here, RHice in clear air and in ice clouds is investigated. Strict quality-checked aircraft in situ observations of RHice were performed during 28 flights in tropical, mid-latitude and Arctic field experiments in the temperature range 183–240 K. In our field measurements, no supersaturations above water saturation are found. Nevertheless, super- or subsaturations inside of cirrus are frequently observed at low temperatures (<205 K) in our field data set. To explain persistent RHice deviating from saturation, we analysed the number densities of ice crystals recorded during 20 flights. From the combined analysis – using conventional microphysics – of supersaturations and ice crystal numbers, we show that the high, persistent supersaturations observed inside of cirrus can possibly be explained by unexpected, frequent very low ice crystal numbers that could scarcely be caused by homogeneous ice nucleation. Heterogeneous ice formation or the suppression of freezing might better explain the observed ice crystal numbers. Thus, our lack of understanding of the high supersaturations, with implications for the microphysical and radiative properties of cirrus, the vertical redistribution of water and climate, is traced back to the understanding of the freezing process at low temperatures.

Abstract The Midlatitude Cirrus experiment (ML-CIRRUS) deployed the High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO) to obtain new insights into nucleation, life cycle, and climate impact of natural cirrus and aircraft-induced contrail cirrus. Direct observations of cirrus properties and their variability are still incomplete, currently limiting our understanding of the clouds’ impact on climate. Also, dynamical effects on clouds and feedbacks are not adequately represented in today’s weather prediction models. Here, we present the rationale, objectives, and selected scientific highlights of ML-CIRRUS using the G-550 aircraft of the German atmospheric science community. The first combined in situ–remote sensing cloud mission with HALO united state-of-the-art cloud probes, a lidar and novel ice residual, aerosol, trace gas, and radiation instrumentation. The aircraft observations were accompanied by remote sensing from satellite and ground and by numerical simulations. In spring 2014, HALO performed 16 flights above Europe with a focus on anthropogenic contrail cirrus and midlatitude cirrus induced by frontal systems including warm conveyor belts and other dynamical regimes (jet streams, mountain waves, and convection). Highlights from ML-CIRRUS include 1) new observations of microphysical and radiative cirrus properties and their variability in meteorological regimes typical for midlatitudes, 2) insights into occurrence of in situ–formed and lifted liquid-origin cirrus, 3) validation of cloud forecasts and satellite products, 4) assessment of contrail predictability, and 5) direct observations of contrail cirrus and their distinction from natural cirrus. Hence, ML-CIRRUS provides a comprehensive dataset on cirrus in the densely populated European midlatitudes with the scope to enhance our understanding of cirrus clouds and their role for climate and weather.

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.