Statistics of Ice Nucleation Conditions in Mixed-Phase Clouds
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden die Bedingungen für Eisnukleation in Mischphasen mit numerischer Modellierung untersucht. Eine zentrale Frage war, welche der möglichen verschiedenen Eisnukleationsprozesse dominant ist. Dafür mussten zunächst adäquate Parameterisierungen für alle Prozesse gefunden und im Modell eingebunden werden. Hierzu wurden Labormessungen aus anderen Teilprojekten der Forschergruppe herangezogen. In Simulationen einer Reihe von verschiedenen Mischphasentypen zeigte sich, dass Immersionsgefrieren (ein heterogener Nukleationsprozess, bei dem das Gefrieren durch einen Aerosolpartikel im Inneren eines Tropfens ausgelöst wird) in allen betrachteten Wolkentypen dominiert. Kontaktgefrieren (Gefrieren von Tropfen, die mit einem Aerosolpartikel kollidieren) kann an den Rändern von Wolken wichtig sein. Für den speziellen Fall von biologischen Eiskeimen, die bei hohen Temperaturen aktiv sind, konnte gezeigt werden, dass es zwei verschiedene Regime gibt, in denen Bedeutung dieser Partikel für die Eisbildung in Wolken auf verschiedene Art und Weise beschränkt ist: in den untersten atmosphärischen Schichten eine Begrenzung durch zu hohe Temperaturen, und in höheren atmosphärischen Schichten durch zu geringe Konzentrationen. Schließlich wurde in Schließungsexperimenten versucht, ausgehend von simulierten Aerosolkonzentrationen und –zusammensetzungen mit laborbasierten Eisnukleationsparameterisierungen gemessene Eiskristallkonzentrationen und die Zusammensetzung von Eisresidualpartikeln zu reproduzieren. Obwohl ein Datensatz gewählt wurde, in dem die meteorologische Situation möglichst einfach war und sehr viele Messungen vorhanden waren, so dass verschiedene Aspekte der Modellergebnisse validiert werden konnten, erwies sich diese Schließung nach wie vor als schwierig. Es konnten schließlich einige Szenarien ausgeschlossen werden und Aussagen über den wahrscheinlichen Bereich der Eisaktivität (und eine Hypothese für deren Zustandekommen durch Beschichtungen) der in Wolkenhöhe angetroffenen Partikel gemacht werden.
Publications
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(2012): Heterogeneous ice nucleation on atmospheric aerosols: A review of results from laboratory experiments. Atmospheric Chemistry and Physics 12, 9817-9854
Hoose, C. and O. Möhler
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(2015): Regional-scale Simulations of Fungal Spore Aerosols Using an Emission Parameterization Adapted to Local Measurements of Fluorescent Biological Aerosol Particles, Atmos. Chem. Phys., 15, 6127-6146
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(2017): A new ice nucleation active site parametrization for desert dust and soot, J. Atmos. Sci.
Ullrich, R., C. Hoose, O. Möhler, M. Niemand, R. Wagner, K. Höhler, N. Hiranuma, H. Saathoff, and T. Leisner
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(2017): Aerosol and Droplet Dependent Contact Freezing: Parameterisation Development and Case Study, J. Atmos. Sci. 74, 2229–2245
Hande, L. B., C. Hoose, C. Barthlott
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Hande, L. B. and C. Hoose
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(2017): Redistribution of ice nuclei between cloud and rain droplets: Parameterization and application to deep convective clouds, Journal of Advances in Modeling Earth Systems
Paukert, M., C. Hoose, M. Simmel
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(2018): Initiation of secondary ice production in clouds, Atmos. Chem. Phys., 18, 1593-1610
Sullivan, S. C., Hoose, C., Kiselev, A., Leisner, T., and Nenes, A.
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(2018): Simulating the influence of primary biological aerosol particles on clouds by heterogeneous ice nucleation. Atmos. Chem. Phys., 18 (20), 15437–15450
Hummel, M.; Hoose, C.; Pummer, B.; Schaupp, C.; Fröhlich-Nowoisky, J.; Möhler, O.
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(2019): Comparison of Modeled and Measured Ice Nucleating Particle Composition in a Cirrus Cloud. Journal of the Atmospheric Sciences, 76 (4), 1015–1029
Ullrich, R.; Hoose, C.; Cziczo, D. J.; Froyd, K. D.; Schwarz, J. P.; Perring, A. E.; Bui, T. V.; Schmitt, C. G.; Vogel, B.; Rieger, D.; Leisner, T.; Möhler, O.
