Wolken skalenübergreifend verstehen: Von kleinskaligen Prozessen zu weitreichenden Eigenschaften

• Antragsteller: Dr. Fabian Hoffmann
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435878013

Obwohl Wolken ein wichtiger Bestandteil des Klimasystems sind und einen erheblichen Einfluss auf das globale Strahlungsbudget haben, ist das wissenschaftliche Verständnis von Wolken noch immer begrenzt. Gründe hierfür sind die Komplexität und Wechselwirkungen kleinskaliger Prozesse (turbulentes Entrainment und Mischen, Strahlung, Wolkenmikrophysik), sowie die Tatsache, dass diese Prozesse selbst in heutigen Simulationen vernachlässigt oder nur grob parametrisiert werden können und somit ihr Einfluss auf das Klima nicht sicher quantifiziert werden kann.Dies gilt insbesondere für flache Passatwind-Kumulusbewölkung und arktische Mischphasenwolken, die in diesem Projekt untersucht werden sollen. Um alle relevanten Skalen zu repräsentieren, soll ein neuer, vom Antragssteller entwickelter Modellierungsansatz verwendet werden, der direct numerical simulation und large-eddy simulation verbindet und somit räumliche Skalen von der Kolmogorow-Längenskala bis zu ganzen Wolkenfeldern simultan darstellt. Dies erlaubt die direkte Quantifizierung des Einflusses kleinskaliger Prozesse auf das gesamte Wolkenfeld, ohne die Ergebnisse durch ein begrenztes Simulationsgebiet oder eine unzureichende Auflösung einzuschränken, wie dies bei herkömmlichen Modellierungsansätzen der Fall ist. Zusätzlich wird das Projekt Messdaten zweier zukünftiger Feldkampagnen in der Passatwind-Region und der Arktis nutzen. Entrainment und Mischen haben signifikante Auswirkungen auf die mikrophysikalische Zusammensetzung einer Wolke und damit ihre Strahlungseigenschaften. Dieser Vorgang wird traditionell durch die Wechselwirkung von Turbulenz und Wolkenmikrophysik beschrieben. Neuere Studien deuten darauf hin, dass auch die Sättigung der eingemischten Luft einen erheblichen Einfluss auf Entrainment und Mischen und ihre mikrophysikalische Wirkung haben kann. Für flache Kumulusbewölkung soll deshalb untersucht werden, wie die Interaktion von Turbulenz, Strahlung und Wolkenmikrophysik den thermodynamischen Zustand der einzumischenden Luft bestimmt, und wie sich somit Entrainment und Mischen am Rand einzelner Wolken, während ihres Lebenszyklusses und im ganzen Wolkenfeld ändern. In Mischphasewolken ist Entrainment und Mischen weitgehend unerforscht. Vorarbeiten für dieses Projekt zeigen bereits signifikante Auswirkungen auf die räumliche Verteilung von Wasser in die Eis- und Flüssigphase, was die Effizienz des Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozesses beeinflusst und somit die Lebensdauer von Mischphasewolken und ihre Rolle im Strahlungsbudget ändern kann. Alles in allem soll das Projekt dazu beitragen, Wolken skalenübergreifend zu verstehen. Das Projekt schlägt also eine Brücke vom Verständnis kleinskaliger Prozesse in Passatwind-Kumuli und arktischen Mischphasenwolken zu den Auswirkungen dieser Prozesse auf die Strahlungseigenschaften dieser Wolken und ihrer Rolle im Klimasystem der Erde.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen