SPectral Aerosol Cloud Chemistry Interaction Model (SPACCIM)

Zur Untersuchung und numerischen Beschreibung der miteinander in Wechselwirkung stehenden mikrophysikalischen und chemischen Multiphasenprozesse in der Troposphäre wurde das spektrale Luftpaket-Model SPACCIM in der Abteilung Modellierung des TROPOS entwickelt. SPACCIM kombiniert ein komplexes größenaufgelöstes Multiphasenchemie-Modell und ein mikrophysikalisches Wolkenmodell. Das verwendete Kopplungsschema (siehe Abb. 2) realisiert die Berücksichtigung der wechselseitigen Einflüsse zwischen mikrophysikalischen und chemischen Prozessen, erlaubt aber beiden Modellen weitgehend unabhängig voneinander zu arbeiten und eigene Zeitschrittweiten zu nutzen. Für das chemische Multiphasensystem wird ein implizites Schema höherer Ordnung angewendet, welches die spezielle Struktur des großen schwach-besetzten Modellgleichungssystems ausnutzt (Wolke and Knoth, 2002).

Das Mikrophysik-Modell basiert hauptsächlich auf den Arbeiten von Simmel und Wurzler (2006) und Simmel et al. (2005). Neben dem Wachstum und Schrumpfen von Aerosolpartikeln durch Kondensation bzw. Verdampfung von Wasserdampf, werden darin Prozesse wie Aktivierung und Verdunstung von Wolkentropfen so wie anderer mikrophysikalischer Prozesse wie Kollision/Koaleszenz von Tropfen explizit beschrieben (siehe Abb. 1). Die Wachstumsrate durch Kondensations-/Verdunstungsprozesse als auch die Tropfenaktivierung basieren auf der Köhlertheorie. Die Bildung, Entwicklung und Verdunstung von Wolkentropfen wurden unter Nutzung einer 1-dimensionalen sektionalen Mikrophysik implementiert, welches sowohl gelöste Partikel als auch Wolkentropfen betrachtet. Für die Beschreibung der Multiphasenchemie benötigte meteorologische Größen, wie Temperatur und Feuchte, sowie wolkenmikrophysikalische Parameter, wie der Flüssigwassergehalt, werden vom Mikrophysik-Modell bereitgestellt. Andererseits beeinflussen chemische Prozesse die Partikelmassen sowie die Anteile der gelösten Stoffe und damit die Mikrophysik. Die zeitliche Interpolation der  Größen sowie die Mittelung der durch mikrophysikalische Prozesse verursachten Massenflüsse wird durch das Kopplungsschema realisiert.

Chemische Mechanismen unterschiedlichster Komplexität können eingebunden werden, um die Multiphasenchemie sowohl in deliqueszenten Partikeln als auch in Wolkentropfen zu modellieren. Der zurzeit am weitesten entwickelte Multiphasenmechanismus besteht aus dem Gasphasenmechanismus MCMv3.1 (http://mcm.leeds.ac.uk/MCM/) und dem Flüssigphasenmechanismus CAPRAM (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism, version 3.0i).

SPACCIM fand bereits Anwendung in verschiedenen Studien, welche sich auf chemische Prozesse im troposphärischen Multiphasensystem konzentrierten (siehe Referenzen). Neben der Beschreibung von Wolkenprozessen wurden dabei in letzter Zeit zunehmend auch chemische Umwandlungen in deliqueszenten Partikeln betrachtet, wie beispielsweise die Bildung organischer Masse aus gasförmigen Vorläufersubstanzen und die Prozessierung von Staubpartikeln mineralischen Ursprungs. In diesem Zusammenhang wurde ein Aktivitätskoeffizient-Modell in SPACCIM implementiert, welches die Nicht-Idealität der Lösungen und die damit zusammenhängenden Auswirkungen auf die Multiphasenchemie berücksichtigt.

  • Abb. 1: Schematische Abbildung der mikrophysikalischen und chemischen Multiphasenprozesse in einer warmen Wolke, welche in SPACCIM betrachtet werden. Quelle: Ralf Wolke/TROPOS

  • Abb. 2: Schema der Modellkopplung in SPACCIM zwischen chemischen Multiphasenmodell und mikrophysikalischem Modell. Quelle: Ralf Wolke/TROPOS

  • Abb. 3: Flüssigwassergehalt während der Simulation einer orographisch induzierten Wolkenkappe an einem Berg. Quelle: Ralf Wolke/TROPOS

Referenzen:

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