Experimentelle und numerische Untersuchung von kollisionsinduziertem und spontanem Aufbrechen von Regentropfen zur Vorhersage von Niederschlag
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um Niederschlagsvorhersagen sowie die Interpretation von Satellitensignalen zu verbessern, ist eine Beschreibung der Entwicklung der Tropfengrößen in einer Wolke erforderlich. Dieser Prozess wird wesentlich beeinflusst durch das Aufbrechen von Tropfen. Experimentelle Studien wurden am Mainzer vertikalen Windkanal durchgeführt, in dem einzelne Tropfen wie in einer realen Wolke frei in einem vertikalen Luftstrom schweben. In einer Versuchsreihe wurde beobachtet, ob Tropfen spontan aufbrechen aufgrund ihrer natürlichen Oszillation in einer laminaren Luftströmung oder einer, die durch Turbulenzen in der Strömung verursacht wird. Unter laminaren Bedingungen spielte der horizontale Oszillationsmode eine Schlüsselrolle; etwa 5 % der beobachteten Tropfen mit äquivalenten Durchmessern zwischen 8 und 13 mm brachen auf, indem sie sich in der Mitte trennten und zwei neue gleich große Tropfen bildeten. Turbulenzen führten zu erheblichen Verformungen der Tropfen hauptsächlich im vertikalen und transversalen Oszillationsmode. Dies schien jedoch eher den Zusammenhalt der Tropfen zu fördern. Aus unseren Resultaten konnten wir daher schließen, dass spontanes Aufbrechen vernachlässigbar ist im Vergleich zum kollisionsbedingten Aufbrechen. Dies wurde in weiteren Experimenten untersucht, bei denen zwei Tropfen kollidierten und in mehrere Fragmente zerbrachen. Um die Lücken fehlender Tropfengrößen in früheren Messungen zu füllen, wurde eine Reihe relevanter Tropfenpaare mit Durchmessern von etwa 5 und 3 mm untersucht, um die Größenverteilung der Fragmente zu bestimmen. Aufgrund der Ergebnisse wurden frühere Parametrisierungen modifiziert. Neben den Experimenten wurden Wolkenmodell-Simulationen durchgeführt, um in Sensitivitätsstudien die Auswirkungen des Aufbrechens auf Tropfengrößen und Niederschlag zu bestimmen. Wir verglichen eine neue Parametrisierung basierend auf Experimenten zum kollisionsbedingten Aufbrechen mit einer früheren Parametrisierung. Die Ergebnisse belegten die Bedeutung der Parameter Effizienz des Aufbrechens sowie Anzahl und Größe der Fragmente. Ein moderates Aufbrechen konnte den Niederschlag sogar erhöhen, während Aufbrechen, wenn es ähnlich wie im realen Fall stattfand, den Niederschlag verringerte. Außerdem veränderte das Aufbrechen den Niederschlag, indem es seinen Beginn verzögerte und dafür sorgte, dass er sich mehr im Zentrum der Wolke bildete.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Experimental wind tunnel studies on spontaneous and collision-induced breakup of drops. Internation Conference on Clouds and Precipitation, South Korea, 2024, poster presentation.
Diehl, K., A. Theis, T. Jungblut, S.K. Mitra & M. Szakáll
