Zur Physik und numerischen Repräsentation von Staubzirren in Wettervorhersagemodellen

• Antragsteller: Dr. Michael Weger
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 582284899

Primäres Ziel des Vorhabens ist es ein besseres Prozessverständnis über Staubzirren zu gewinnen, eines bisher noch wenig verstandenen Wolkentyps welcher in Zusammenhang mit Wüstenstaubausbrüchen in die obere Troposphäre steht. Die besonderen Merkmale von Staubzirren (großflächige Ausdehnung, lange Lebensdauer, hohe Dichte, konvektive Struktur) machen diesen Wolkentyp auf Satellitenbildern klar unterscheidbar von gewöhnlichen Zirren. Man weiß heute, dass Mineralstaubpartikel besonders effektiv unter den Bedingungen der oberen Troposphäre als Eiskeime fungieren und somit Staubzirren auch eine besonders hohe dichte an Eispartikeln aufweisen. Die veränderte Wolkenmikrophysik beeinflusst darüber hinaus auch die thermodynamischen und dynamischen Bedingungen sowie die Strahlungseigenschaften der Bewölkung dahingehend, dass es zur Ausbildung der beschriebenen Wolkencharakteristika (z.B. Konvektion) kommt. Ein tieferes Verständnis über diese Zusammenhänge zwischen den Prozessen auf der Mikroskala und den makroskopischen Wolkeneigenschaften fehlt uns aber bisher. Aus diesem Grund weisen gängige numerische Wettervorhersagemodelle auch große Unsicherheiten bei der Prognose von Staubzirren auf, was sich in der Regel in einer großflächigen Überschätzung der Sonneneinstrahlung am Boden äußert. Mittels hochauflösender numerischer Simulationen soll zunächst unter idealisierten Bedingungen der Entstehungsmechanismus von Staubzirren nachvollzogen werden. In diesen Simulationen werden alle wichtigen, durch Mineralstaub beeinflusste mikrophysikalischen Prozesse berücksichtigt. Die hohe Modellauflösung ermöglicht eine explizite Darstellung der durch atmosphärische Instabilität angetriebenen turbulenten Durchmischung, deren Auswirkungen auf das weitere Bewölkungswachstum untersucht werden soll. Insbesondere soll dabei auch der Einfluss von unterschiedlichen Anfangsbedingungen charakterisiert werden. Eine weitere Modellunsicherheit besteht in den verwendeten Wolkenmikrophysik-Schemata. Gängige vereinfachte Schemata basieren auf einer festen Partikelgrößenverteilung für Wolkeneis, welche sich jedoch als zu ungenau für die speziellen Bedingungen innerhalb von Staubzirren erweisen könnte. Deshalb soll auch ein detaillierteres Mikrophysikschema, welches eine flexible Partikelgrößenverteilung ermöglicht, zur Anwendung kommen. Die gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse aus den idealisierten numerischen Simulationen sollen letztendlich auch auf die Simulation realer Fälle übertragen werden. Dies soll anhand eines ausgewählten Falles und mittels Validierung der Modellergebnisse durch Beobachtungsdaten aus der Fernerkundung demonstriert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen