Projekt zum Mischprozess von bewölkter und wolkenfreier Luftmassen

Wolken und deren Wechselwirkungen mit dem Klima bleiben eine der größten Herausforderungen bei der Vorhersage des zukünftigen Klimas. Klimamodelle sind aufgrund ihrer groben Auflösung nicht in der Lage, viele kleinräumige Prozesse in den Wolken zu berücksichtigen. Diese Prozesse werden deshalb durch statistische Formulierungen – so genannte Parametrisierungen – dargestellt, die von Natur aus mit Unsicherheiten behaftet sind. Dies gilt besonders, wenn die zugrunde liegenden Prozesse bisher wenig oder unvollständig verstanden sind. Einer der wichtigsten dieser kleinräumigen Prozesse ist die turbulente Vermischung von bewölkter und wolkenfreier Luft, das Entrainment und Detrainment (im Folgenden als Entrainment zusammengefasst). Entrainment beschreibt die Einmischung wolkenfreier Luft in die Wolke, Detrainment das Mischen von wolkiger Luft in die Umgebung. Entrainment verändert die Eigenschaften von Wolkenpartikeln, wie Anzahl und Größe, die Strahlungseigenschaften von Wolken, verringert den Wassergehalt der Wolke und beeinflusst so den Niederschlag. Daher hat Entrainment einen Einfluss auf die Lebenszeit der Wolke. Die Mischungsprozesse und ihre Abbildung in den numerischen Modellen sind für einen Großteil der starken Unterschiede bei den Abschätzungen zur zukünftigen Klimaentwicklung mitverantwortlich. Bislang gibt es keine zuverlässige mathematische Formulierung, die es erlaubt, diese Mischprozesse in Form von physikalischen Wolken- und Umgebungsgrößen zu verstehen und zu beschreiben (das Entrainment Puzzle). Und das obwohl eine Fülle von Entrainment Parameterisierungen existiert. Allerdings sind die Abhängigkeiten dieser Parameterisierungen von meteorologischen Größen widersprüchlich, was zeigt, dass dieser Mischungsprozess selbst noch nicht gut verstanden wird.

Das Projekt, welches von der Europäischen Union im Rahmen des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms finanziert wird (als Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship, Grant number 835305), hat drei Säulen:

Workpackage 1 - Identifizierung:

Im turbulenten Windkanal LACIS-T werden Bedingungen nachgestellt, wie sie in Freilandmessungen an realen Wolken beobachtet wurden. Die Daten stammen von der Messkampagne „Azores stratoCumulus measurements Of Radiation, turbulEnce and aeroSols“ (ACORES). Im Rahmen dieser Kampagne hatte im Juli 2017 ein internationales Forscherteam unter Leitung des TROPOS Wolken, u.a. unter Verwendung der Hubschrauber getragenen Messplattform (ACTOS), um die Inselgruppe der Azoren im Nordatlantik untersucht. Die gezielte Veränderung einzelner meteorologischer Parameter im Windkanal soll helfen, die Größen zu identifizieren, die den größten Einfluss auf das Entrainment haben.

Workpackage 2 - Hochskalierung

Begleitend zu den Experimenten werden Strömungsmechanische Simulationen gerechnet. Zum Einen werden die Punktmessungen aus dem Windkanal genutzt, das Model zu verifizieren, zum Anderen liefert das Model die Felder (wie Feuchte, Temperatur, Geschwindigkeit) im ganzen Windkanal-Volumen. Basierend auf den Messungen und mit Hilfe der Simulationen soll eine neue physikalische Formulierung für das Entrainment abgeleitet werden. Diese wird im nächsten Schritt 'hochskaliert' von den mm-skalen Simulationen zu 10m-Skalen wie sie in Large Eddy Simulations (LES) genutzt werden.

Workpackage 3 - Verifikation

Die neue Entrainment-Berechnung (aus WP2) soll hier in das Atmosphären-Modell ICON eingebaut werden (welches zur Wettervorhersage des Deutschen Wetterdienstes genutzt wird). Diese wird in LES Konfiguration benutzt und Fallstudien werden gerechnet zu den ACORES Messungen, die als Grundlage der Experimente in WP1 dienten.

Training: Da die Marie Skłodowska-Curie Actions auf die Weiterqualifizierung der Teilnehmer abziehlen, beinhaltet auch diese Projekt ein Workpackage zum Thema Weiterbildung. Dies umfasst Workshops und Seminare zu verschiedenen Softskills, sowie die Teilnahme am Leibniz Mentoring.