Meteorologie
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Wolkentropfenwachstum in flachen Kumuluswolken unter Berücksichtung von 1D und 3D thermischen Strahlungseffekten

27.05.2019 um 00:00 Uhr

Strahlung beeinflusst maßgeblich die Entstehung und Entwicklung von Wolken. Solare Strahlung erwärmt die Erdoberfläche. Die dadurch aufsteigende Feuchtigkeit kondensiert beim Aufstieg und gegebenenfalls bilden sich Wolken. Wolken wiederum emittieren und absorbieren thermische Strahlung. Die an den Grenzflächen zwischen Wolken und Atmosphäre entstehenden Erwärmungs- und Abkühlungsraten können einige hundert K/d groß werden und sind somit um einige Größenordnungen höher als die Abkühlungsraten der Atmosphäre von 1-2 K/d. Bei finiten Wolken werden 3D Effekte der Erwärmungs- und Abkühlungsraten in Form von Wolkenseiteneffekten wichtig.

Die thermischen Erwärmungs- und Abkühlungsraten an den Wolkenkanten haben Auswirkungen auf die Dynamik von Wolken, des Wolkenfeldes und auch auf mikrophysikalische Eigenschaften der Wolken. Mit Hilfe von Large Eddy Simulationen konnte gezeigt werden, dass Abkühlungsraten Einfluss auf das Wachstum von Wolkentröpfchen und somit Auswirkungen auf die Entstehung von Regen haben können.

In einer idealisierten Trajektorienstudie (in welcher nur mikrophysikalische Prozesse wirken und von dynamischen Prozessen entkoppelt sind) hat sich vor allem der Prozess der Rezirkulation als entscheidend herausgestellt. Hierbei werden einzelne Tropfen am Wolkenrand stark abgekühlt, wachsen somit stärker und gelangen anschließend wieder in die Wolke. Das somit verbreiterte Tropfenspektrum kann die Regenbildung erhöhen (siehe Abbildung).

In gekoppelten Large Eddy Simulationen, in welchen sowohl dynamische als auch mikrophysikalische Prozesse gleichzeitig wechselwirken, hat sich gezeigt, dass die dynamischen Prozesse überwiegen. trajektorie_und_strahlungHierbei wurde der Strahlungseffekt nur auf die Dynamik und in weiteren Simulationen auf Dynamik und Mikrophysik gleichzeitig angewandt. Interessant war hierbei eine Evaporations-Zirkulations-Rückkopplung die bei Simulationen in welchen nur die Dynamik von der Strahlung betroffen ist zu stärkeren Regenraten geführt hat, als die Simulationen in welchen Strahlung auch auf Wolkentröpfchen gewirkt hat.

Referenz:
Klinger, C., Feingold, G., and Yamaguchi, T.: Cloud droplet growth in shallow cumulus clouds considering 1-D and 3-D thermal radiative effects, Atmos. Chem. Phys., 19, 6295-6313, https://doi.org/10.5194/acp-19-6295-2019, 2019.