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

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird ein wolkenauflösendes, mehrdimensionales Modellsystem (EULAG-LCM) für Zirren aufgebaut, das 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. 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 Rahmen dieser Arbeit werden prozess-orientierte Aggregationsalgorithmen entwickelt, die auf den Trajektorien und Sedimentationsgeschwindigkeiten einzelner Kristalle beruhen. 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. A cloud-resolving, multidimensional model complex (EULAG-LCM) for cirrus clouds is developed and implemented. Aerosol and ice microphysics are treated in detail. The model accounts for radiative transfer and internal dynamics in the cloud structures. The ice phase is treated by tracking the live cycle of a large number of simulation particles individually. Validation of the newly developed EULAG-LCM is threefold: Besides validation in a box model study, the EULAG-LCM took part in an international cirrus cloud model intercomparison project and was validated in the framework of a case study which has been set up in this thesis. An essential process distributing ice mass vertically (important for radiative transfer) and in the generation of precipitation-sized ice particles is the aggregation mechanism. In the present thesis process-oriented algorithms for ice particle aggregation are developed based on the trajectories and sedimentation velocities of individual ice crystals. In the case study and associated sensitivity runs, which are built on comprehensive measurements in a mid-latitude cirrus cloud, the aggregation process and its modification with atmospheric parameters is studied in detail.