Modellierung von Wolkenmikrophysik

Abb. 1: Konvektive Wolke mit entstehender Eisphase.

Unter atmosphärischen Bedingungen bilden sich Wolkentropfen, wenn die Luft bezüglich Wasser ge- bzw. übersättigt ist. Das überschüssige Wasser bildet dabei keine reinen Wassertropfen, sondern setzt sich auf sog. CCN (Cloud Condensation Nuclei, Wolkenkondensationskeimen) ab. Ob ein Partikel unter den jeweiligen Umständen als CCN dienen kann, hängt sowohl von den Partikeleigenschaften (insbesondere Größe und chemische Zusammensetzung) als auch von der atmosphärischen Dynamik (hauptsächlich der Vertikalgeschwindigkeit) ab. Nahezu alle luftgetragenen Teilchen oberhalb einer gewissen Größe (50-80 nm) sind potentielle CCN. Im Allgemeinen steigt die Tropfenanzahl wenn

  • die CCN-Anzahl steigt
  • die Partikel größer werden
  • die Partikel wasserlöslich sind
  • die Aufwindgeschwindigkeit steigt

Änderungen in der Wolkentropfenbildung beeinflussen Wolkeneigenschaften wie Strahlungseigenschaften und die Niederschlagsbildung durch Koaleszenz. Mit der Hilfe mikrophysikalischer Modelle (z. B. SPECS) kann untersucht werden, inwiefern eine Wolke (z. B. hinsichtlich Tropfenanzahl, Wassermischungsverhältnis, Niederschlag etc.) auf Änderungen in der Aerosolpopulation reagiert.

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.

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 COSMO-Modell des Deutschen Wetterdienstes (DWD) implementiert.

Sowohl für CCN als auch für IN erlauben Modelle die Wichtigkeit des Aerosoleinflusses auf die Wolkenmikrophysik mit anderen Antriebskräften wie der zugrundeliegenden generellen Dynamik, der Turbulenz oder anderer Einflüsse zu vergleichen.

  • Abb. 2: Abhängigkeit der Wolkentropfenanzahl von CCN-Anzahl und Vertikalgeschwindigkeit bei gegebener CCN-Größenverteilung und chemischer Zusammensetzung.

  • Abb. 3: Zeitliche Entwicklung des flüssigen (links) und Eiswassermischungsverhältnis (rechts) für einen Modelllauf mit dem zylindersymmetrischen Asai-Kasahara-Modell mit spektraler Mikrophysik.

  • Abb. 4: Heterogene Gefriermoden in Abhängigkeit von Temperatur und Feuchte.