RP 3: The importance of ice nuclei types and freezing modes for the initiation of the ice phase and precipitation - Model studies based on laboratory measurements.
Dr. Karoline Diehl
Institut für Physik der Atmosphäre, Johannes Gutenberg Universität Mainz
Dr. Miklós Szakáll
Institut für Physik der Atmosphäre, Johannes Gutenberg Universtität Mainz
Mitarbeit: Oliver Eppers (Masterstudent), Amelie Mayer (Bachelorstudent)
Dieses Projekt untersuchte in Phase 1 den Einfluss von Eisnukleationspartikeln auf konvektive Mischphasen-Wolken. Ein Luftpaketmodell mit detaillierter Wolkenmikrophysik, welches eine direkte Verbindung zwischen Aerosolpartikeln und der Entwicklung von Wolken herstellt, wurde für mikrophysikalische Prozessstudien benutzt. Beschreibungen von heterogenen Gefrierprozessen (Immersions-, Kontakt- und Depositionsgefrieren) wurden modifiziert oder neu hinzugefügt. Diese Parametrierungen basieren auf früheren und neuen Feld- und Labormessungen, überwiegend aus der der INUIT-Forschergruppe. Abbildung 1 zeigt experimentelle Daten, die zur Parametrisierung des Immersionsgefrierens genutzt wurden.
Der experimentelle Teil beinhaltete Laborexperimente von Immersions- und Kontaktgefrieren mit Hilfe des Mainzer Vertikalen Windkanals und einer Akustischen Tropfenfalle. Abbildung 2 zeigt Ergebnisbeispiele für Illit NX.
Als nächsten Schritt ist für INUIT-2 geplant, ein komplexeres Modellsystem einzubeziehen. Um die Verbindung zwischen atmosphärischen Aerosolpartikeln, Wolkeneigenschaften und Niederschlägen zu verstehen, wird die Wolkenmikrophysik am besten durch ein spektrales mikrophysikalisches Schema beschrieben, wie es bereits in Phase 1 genutzt wurde. Früher konnte man diese Schemen nur mit einfachen Modellen wie Box- oder achsensymmetrischen Modellen kombinieren, aber im letzten Jahrzehnt ist aufgrund erweiterter Computerresourcen auch die dreidimensionale Modellierung möglich geworden. Dafür wird mit das 3D-Modell COSMO-SPECS verwendet .
Im experimentellen Teil werden die Experimente zum Immersionsgefrieren mit zwei verschiedenen Techniken fortgeführt, dem Mainzer Vertikalen Windkanal und der Akustischen Tropfenfalle. Für das Kontaktgefrieren werden neue experimentelle Methoden am Windkanal entwickelt, um realistische Bedingungen zu simulieren. Einzelne unterkühlte Tropfen werden frei im Windkanal ausgeschwebt, während potenzielle Eisnukleationspartikel mit dem Luftstrom mitgeführt werden und wie in realen Wolken mit den Tropfen kollidieren. Die Kollisionsrate wird durch numerische Integration der Differentialgleichung von Partikelbewegungen in einer viskosen Strömung um einen Tropfen ermittelt.
Die Ziele in INUIT Phase 2 sind:
- Entwicklung einer besseren Methode zur Untersuchung von Kontaktgefrieren im Mainzer Vertikalen Windkanal , Vergleich der Ergebnisse mit den INUIT Methoden aus WP-L.
- Vergleich zweier Methoden zur Untersuchung von Immersionsgefrieren miteinander und mit den Methoden von WP-L und WP-F.
- Herleitung von Parametrisierung von Immersions-, Kontakt- und Depositionsgefrieren für neue Partikelsorten und Verbesserung von existierenden Parametrisierungen auf der Basis der Ergebnisse von INUIT WP-L und WP-F.
- Ausbau eines Modells durch verbesserte Beschreibung der Eisnukleation: das 3D- konvektionsauflösende COSMO-SPECS-Modell mit spektralem Mikrophysikschema
- Beurteilung der atmosphärischen Relevanz von Gefrierprozessen, die in INUIT WP-L und WP-F untersucht werden.
- Quantifizierung des Beitrags möglicher Gefrierprozesse zur atmosphärischen Eisbildung in konvektiven Wolken
- Untersuchung der Sensitivität von Wolkenmikrophysik und Niederschlag auf realistische Variationen von Eisnukleationspartikelsorten und -verteilungen.