Ein Euler-Lagrange'sches Zirruswolken-Modell mit expliziter Aerosol- und Eismikrophysik: Studien zur Aggregation von Eispartikeln

Abstract

Zirruswolken (Zirren), Eiswolken, die sich im oberen Bereich der Troposphäre bilden, spielen eine wichtige Rolle im Klimasystem der Erde. Trotz intensiver Forschung sind noch viele Fragen zu Zirren bezüglich der mikrophysikalischen Zusammensetzung, der Bildungsmechanismen sowie Kristallform einzelner Eispartikel oder deren Strahlungswechselwirkung unbeantwortet. Messungen von Eigenschaften der Zirruswolken sind auf Fernerkundungsverfahren oder räumlich begrenzte in-situ Messmethoden beschränkt. Ein wertvolles Werkzeug in der Erforschung von Zirren ist die numerische Modellierung, welche es erlaubt, eine Synthese bestehender Erkenntnisse aus Labor- und Feldmessungen zu schaffen. In dieser Arbeit wird ein wolkenauflösendes, mehrdimensionales Modellsystem (EULAG-LCM) für Zirren aufgebaut, welches eine detaillierte Behandlung von Aerosol- und Eisphase beinhaltet. Das Modell berücksichtigt sowohl den Strahlungstransfer als auch die interne Dynamik in Wolken. Die Eisphase wird in einem innovativen Ansatz beschrieben, indem die Trajektorien einer großen Anzahl von Simulationspartikeln verfolgt werden. Dieser Euler-Lagrange'sche Ansatz ermöglicht neue Analysemöglichkeiten, welche fundierte Aussagen über Nukleationswege, Wachstumshistorien und Zusammensetzung der Eispartikel erlauben und wird erstmals in einem mehrdimensionalen Wolkenmodell mit einem hohen Grad an Komplexität bezüglich Mikrophysik und Dynamik verwendet. Die Validierung des neuentwickelten EULAG-LCM erfolgt in drei Stufen: anhand einer Boxmodellstudie, einer internationalen Modell-Vergleichsstudie sowie einer im Rahmen dieser Arbeit aufbereiteten Fallstudie unter Berücksichtigung des Aggregationsprozesses. Ein wesentlicher Prozess bei der vertikalen Verteilung von Eismasse (entscheidend für die Strahlungswirkung) und bei der Niederschlagsbildung in Zirren ist die Aggregation von Eispartikeln. Im Gegensatz zum Koagulationsprozess flüssiger Wolkentropfen ist die Aggregation von Eispartikeln bisher selten Gegenstand detaillierter numerischer Studien. Im Rahmen dieser Arbeit werden Aggregationsalgorithmen entwickelt, die auf den Trajektorien und Sedimentationsgeschwindigkeiten einzelner Kristalle beruhen. Dies stellt einen wichtigen Schritt dar, die Aggregation in einem mehrdimensionalen Kontext prozess-orientiert zu simulieren. In der Fallstudie sowie den zugehörigen Sensitivitätsstudien, basierend auf einem umfangreichen Datensatz von Messungen in einem Zirrus mittlerer Breiten, wird die Aggregation von Eiskristallen und deren Modifikation durch atmosphärische Randbedingungen untersucht. Anhand der Trajektorien einzelner Simulationspartikel wird in dieser Arbeit u.a. gezeigt, dass ein Vorgang ähnlich dem 'seeder-feeder' Mechanismus bei der Niederschlagsbildung auch bei der Ausbildung gro\ss er Eispartikel in reinen Eiswolken existiert. Dieser kleine 'seeder-feeder' Prozess ist dadurch zu erklären, dass in Wolkenstrukturen am Oberrand des Zirrus Eiskristalle nukleieren, welche anschließend auf ihrem Weg durch die darunterliegenden Zirrusschichten dort vorhandene Kristalle aufsammeln. So können die Kristalle schnell zu großen Massen anwachsen, was zu einer Selbstverstärkung des Aggregationsprozesses führt.