HAUPTMENUE:

FORSCHUNG

Abteilung Modellierung Multiphasenprozesse

Modellierung der Wolkenmikrophysik

Mitarbeiter/-innen

Mitarbeiter/-innen der Abteilung Modellierung.

Überblick

Die detaillierte Beschreibung der Wolkenmikrophysik wird mit einem spektralen Ansatz realisiert (Simmel et al., 2002; Simmel und Wurzler, 2006). Das bedeutet, dass die Spektren der Hydrometeore (Aerosolpartikel, Tropfen, Eisteilchen) hinsichtlich ihrer Masse fein aufgelöst werden (z. B. 66 Größenklassen für den Bereich von 1 nm bis mehrere mm). Auf diese Weise können die relevanten mikrophysikalischen Prozesse der flüssigen (Tropfennukleation, Kondensation, Koaleszenz, Tropfenzerplatzen) und festen (Eisnukleation, Gefrierprozesse, Bereifen, ...) Phasen größtenteils explizit beschrieben werden, d.h. es muss nicht auf Parametrisierungen zurückgegriffen werden.

Abb. 1: Konvektive Wolke mit entstehender Eisphase.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Beschreibung der Eisnukleation. Reine Wassertropfen gefrieren in der Atmosphäre typischerweise erst bei Temperaturen von -35 °C bis -40 °C und niedriger. Eisteilchen werden jedoch bereits bei wesentlich wärmeren Bedingungen beobachtet (teilweise nur wenige Grad unter 0 °C, häufig ab -15 °C und kälter), die durch heterogene Eisnukleationsprozesse entstehen, d.h. unter Mitwirkung meist unlöslicher Partikel, die als 'ice nuclei' (IN) bezeichnet werden. In der Atmosphäre sind vier dieser Prozesse relevant: Depositions-, Kondensations-, Immersions- und Kontaktgefrieren. Darunter sind die Prozesse Immersionsgefrieren und Kontaktgefrieren typischerweise am effizientesten. Beim Immersionsgefrieren wird das Gefrieren durch ein IN ausgelöst, das sich innerhalb eines unterkühlten Tropfens befindet, während beim Kontaktgefrieren ein unterkühlter Tropfen mit einem geeigneten IN kollidiert und somit das Gefrieren von außen initiiert wird. Die Gefriertemperaturen und -effizienzen hängen in hohem Maße vom Typ der jeweiligen IN ab. So sind biologische Partikel insbesondere beim Immersionsgefrieren deutlich effektiver als mineralische Partikel oder Ruß. Das Kontaktgefrieren setzt typischerweise bei noch wärmeren Temperaturen ein, und die Unterschiede zwischen biologischen und mineralischen IN sind geringer (Diehl und Wurzler, 2005; Diehl et al., 2006).
Als Untersuchungen werden sowohl Sensitivitätsstudien als auch realitätsnahe Simulationen durchgeführt. Die Wolkenmikrophysik wird (auch aufgrund des hohen Rechenzeitbedarfs aufgrund der vielen Variablen und aufwändigen Prozessbeschreibungen) meist im Rahmen eines Luftpaketmodells beschrieben. Allerdings wurde die spektrale Mikrophysik auch in ein zylindersymmetrischen Asai-Kasahara-Modell sowie in das Lokalmodell (LM) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) implementiert.

Grafik: Zeitliche Entwicklung des flüssigen (links) und Eiswassermischungsverhältnis (rechts) für einen Modelllauf mit dem zylindersymmetrischen Asai-Kasahar-Modell mit spektraler Mikrophysik.

Abb. 2: Zeitliche Entwicklung des flüssigen (links) und Eiswassermischungsverhältnis (rechts) für einen Modelllauf mit dem zylindersymmetrischen Asai-Kasahara-Modell mit spektraler Mikrophysik.

Aktuelles

Publikationsliste der Abteilung Modellierung

Projekte

Priority Program SPP 1167 of the DFG:
Quantitative Precipitation Forecast (Subproject).

Kontakt: Dr. Martin Simmel

Letzte Änderung: 2007-02-20