Bisherige Vorlesung. Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004

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1 Bisherige Vorlesung Bedeutung von Wolken, Energie- und Wasserkreislauf, Definition Hydrometeore, Momente des Tropfenspektrums, Wolkenklassifikation, Clausius-Clapeyron 4.5. Feuchtegrößen, Erzeugung von Übersättigung,adiabatischer Flüssigwassergehalt Trocken- und feuchtadiabatische Bewegungen, Atmosphärische Stabilität Homogene/heteorogene Nukleation, Köhlerkurven Diffusionswachstum Tropfenwachstum 8.6. Koagulationswachstum, Kollisions- und Koaleszenzeffizienz Bildung und Wachstum von Eiskristallen Verschiedene Typen von Eiswolken, Niederschlagsentstehung Mikrophysikalische Modellierung von Wolken 6.7. Messung + Modellierung von Wolken für Cabauw am Wolken im Klimamodell Zusammenfassung

2 Niederschlagsprozess räumliche Ausdehnung, Intensität und Lebensdauer eines Niederschlagsereignisses werden im Wesentlichen durch -die Vertikalgeschwindigkeit und -dieverfügbare Feuchte bestimmt Niederschlagsbildung bevorzugt bei - großen Variationen der Tropfengrößen - vertikaler Mächtigkeit der Wolken - starken Aufwinden Stratiformer Niederschlag: ausgedehnte, kontinuierlicher Niederschlag verbunden mit großskaligem Aufsteigen auf Grund frontaler oder orographischer Hebung oder horizontaler Konvergenz Konvektiver Niederschlag: lokale, schauerartiger Niederschlag verbunden mit Kumulus-skaliger Konvektion in instabiler Luftmasse In der Realität sind die Übergänge fliessend

3 Charakteristische Skalen des Niederschlags Aufsteigen/Hebung wird ausgelöst durch O(1000 km) Synoptische Prozesse O(100 km) O(10 km) Orographische Hebung Auftrieb / Sekundärzirkulation Stratiformer Niederschlag (30 %) Konvektiver Niederschlag (70 %) Feuchtegehalt O(1000 km) O( km) Advektion Modifikation durch Evapotranspiration und Sekundärzirkulation QNV Bonn Wolkenphysik 12/03 und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004

4 Charakteristische Skalen des Niederschlags Freie Troposphäre CAPE Turbulente Durchmischung Berganströmung Grenzschicht Orographie Vegetation Boden Wärme und Feuchteflüsse Mesoskalige Zirkulationen

5 Sekundärzirkulationen S. Raasch and G. Harbusch, 2001: An Analysis of Secondary Circulations and their Effects Caused by Small-Scale Surface Inhomogeneities Using LES. Boundary-Layer Meteorol., 101, Wolkenphysik und Niederschlag, Susanne Crewell SS 20004

6 Niederschlagsprozess stratiform konvektiv

7 Frontaler Niederschlag

8 Frontaler Niederschlag getrennte Luftmassen: Aufgleiten warmer Luft auf kältere Querzirkulation

9 Niederschlagsprozess stratiform konvektiv

10 Gewitter Einzelzellengewitter Multizellengewitter Superzellengewitter - feuchte, instabile Luftmasse - starke Aufwinde - heftiger Regen, Blitze und Hagel Dabei nimmt von der Einzel- zur Superzelle die Langlebigkeit und Heftigkeit des Gewitters zu. Einzelzellen erzeugen kaum Tornados, Superzellen relativ oft.

11 Einzelne Zelle Ordinary or single cell storm Phasenübergang setzt Energie frei + unterstützt weiteres Wachstum Unterteilung in Phasen Cumulus-Stadium: Entwicklung; Aufwinde im größten Bereich der Zelle Reife-Stadium: Gleichzeitiges Auftreten von Auf- und Abwinden Fallendes Wasser (Niederschlag) initiert Abwinde durch viskose Reibung des Wassers an der Luft und mit Verdunstung verbundener Abkühlung Auflösungsphase: Abwinde verhindern weiteres Wachstum, starker Niederschlag und "downbursts" (durch Niederschlag gekühlte Luft fällt herab und wird am Boden horizontal umgelenkt und dabei verwirbelt)

12 Einzelne Zelle min min ca. 30 min kalter Kern Änderung des Bodenwinds

13 Einzelzellen-Gewitter Überschreiten der Niederschlagsgrenze ist wichtig für die spätere Blitzentwicklung (Elektrifizierung bei Kollisionen der Eispartikel. Bei großer Auftriebsenergie (labiler Schichtung), aber kleiner Scherung, entstehen Gewitter, die aus nur einer ``Zelle bestehen. Typischen Wärmegewitter im Sommer: Einzelzellengewitter sind kurzlebig (ca. 30 min bis 1 h), bringen selten Hagel oder Sturmböen und treten isoliert auf

14 Strömungsmuster in einem Sturm

15 Multizellengewitter Bei großer Scherung (Änderung des Umgebungswindes mit der Höhe) sind up- und downdraft horizontal verschoben und können so miteinander agieren und eine längerwährende Zirkulation aufbauen. Mehrere, nacheinander anwachsenden Zellen.Heftiger als normale Wärmegewitter: Sie sind längerlebig (ca. 1 h bis 3 h) Sie bringen häufiger Hagel oder Sturmböen Sie treten nicht unbedingt isoliert auf Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewitter-typ durchaus vorkommen.

16 Multizellengewitter sehr komplexe Entwicklung in Zeit und Raum

17 Superzellengewitter Im Gegensatz zu Multizellen-Gewittern zeichnen sich Superzellen durch große Rotation aus. Aufwind-Elemente vereinigen sich in einen rotierenden Aufwind und explodieren vertikal (kein Wettbewerb der Zellen!). Langanhaltende, in sich rotierende Zelle bestehen. Sie können schwere Schäden durch Hagel, Sturm etc. hervorrufen: Sie sind langlebig (ca. 1 h bis 6 h) Sie bringen oft Hagel oder Sturmböen Sie treten nicht unbedingt isoliert auf Sie schreiten mit etwa 60 km/h fort Tornados oder Downbursts können bei diesem Gewittertyp am häufigsten vorkommen.

18 Niederschlagsproduktion M(t) = C(t) + P(t) + F(t) + E(t) eines Gewitters M C P F E Masse, die bis zum Zeitpunkt t kondensiert wurde Masse des Wolkenwassers Niederschlagsmasse über Grund Niederschlagsmasse, die den Grund erreicht hat Wolken- und Niederschlagswasser, das verdunstet wurde Aus Radarbeobachtungen Niederschlag P ist ungefähr 10 9 kg Ausflussrate (df/dt) ist ca kg/s charakteristische Zeitskala des Niederschlags ist ca. 20 min

19 Einflus des Aerosols Aersolkonzentration über Ozeanen ca cm -3 über Kontinenten cm -3 in Städten cm Aitken große Riesen Kerne starke Abhahme mit der Höhe (ceilometerabbildung) Reinluft: ca cm -3 maritimes Aerosol 10-4 kontinent. Aerosol städtisches Aerosol dn/d(log D) [cm -3 ] Durchmesser [µm]

20 Entstehung von kaltem Regen SPARC, NL 21 (03)

21 Twomey - Mechanismus 1. indirekter Aersoleffekt seit mehr als 50 Jahren bekannt Änderung der Mikrophysik Tropfenkonzentration verschmutzt: bis 1000 cm -3 Reinluft: ca cm -3 Toon, Science indirekter Aersoleffekt Reduktion der Niederschlagseffizienz

22 Wechselwirkungen Aerosol-Wolken Ramanathan et al., Science 2001

23 Flugzeugmessungen in ACE N=75cm Mittlerer Tropfendurchmesser als Funktion der Höhe über der Wolkenbasis Messungen im Passatwindbereich Pawlowska et al. [2000]

24 Grenzschichtbewölkung Entrainment-Mixing A= st and 2 nd Aerosol Indirect Effect q l =0.2 g kg -1 Radiative Transfer Microphysics q =20 g kg -1 CCN Activation Onset of Précipitation Turbulent Fluxes Précipitation Evaporation r v T A=0.05 J. L. Brenguier Météo-France

25 Künstlicher Niederschlag von großem Interesse in trockenen Gebieten basiert auf dem Bergeron-Findeisen Mechanismus Selektion einer Wolke mit viel unterkühltem Wasser Freisetzen von Gefrierkernen (ice-freezing nuclei) wie z.b Trockeneis (Kohlensäure) oder Silberjodid (AgJ) nicht sehr zufriedenstellende Resultate auch zur Hagelabwehr eingesetzt (Rosenheim), da frühzeitig sich abregnende Wolken auch keine große Menge an unterkühlten Tropfen bilden können Silberjodid hat dem Eis sehr ähnliche Gitterstruktur und Gitterenergie und führt zu Gefrieren zwischen -2 und -4 C

26 Niederschlagsmessung Observations at stations in Germany (~3900 points) 24-h precipitation at 6 UTC; average station distance: 10 km

27 Niederschlagsklimatologie verstärkte Niederschläge treten vorallem - an den Stauseiten von Gebirgen auf - an Fronten von Tiefdrucksystemen - konvektiven Ereignissen Problem: Tagesgang Nachmittagsmaximum der Konvektion Mittlerer Niederschlag im Sommer Mittel zwischen 1901 und 2000 DWD Klimastatusbericht 2001

28 Niederschlagsklimatologie Global Precipitation Climatology Centre (GPCC)

29 Jahressumme des Niederschlags Observation Mittelwerte (mm) Mittelwerte (mm) Differenz ( ) in % von ( )