Numerische Analyse der Parametrisierung des Immersionsgefrierens sowie der Aerosolprozessierung in orographischen Mischphasenwolken

Eine gute und verlässliche Niederschlagsvorhersage vor allem die von Starkniederschlagsereignissen wird aus wirtschaftlicher Hinsicht immer wichtiger, da sehr viele wirtschaftliche Bereiche von ihr abhängen wie beispielsweise direkt die Landwirtschaft oder auch indirekt die Versicherungsbranche. Untersuchungen zur Niederschlagsbildung haben ergeben, dass fast der gesamte kontinentale Niederschlag über die Eisphase gebildet wird. Er hängt somit stark neben der homogenen auch von der heterogenen Bildung von Eispartikeln ab. Gerade für orographische Mischphasenwolken, die oft Ursprung für Starkregen sind, ist der heterogene Prozess in Anwesenheit von Aerosolen sehr wichtig, da sie im Temperaturbereich zwischen dem Taupunkt und circa -36°C auftreten. Leider ist aber dieser Prozess bis heute nicht vollständig geklärt und auch die numerische Darstellung von Aerosolen gekoppelt mit der Eisnukleation nicht immer vorhanden, so dass diese beiden Aspekte immer mehr in den Fokus der Forschung rücken.

An dieser Stelle setzt diese Arbeit an. In ihr wird eine ganzheitliche Darstellung der heterogenen Eisnukleation für das COSMO-Wettermodell gekoppelt mit dem Zwei-Momenten-Wolkenmikrophysikschema vorgestellt. ... mehrUm dies zu erreichen, werden verschiedene realistische heterogene Eisnukleationsschemata in das Modell implementiert. Deren Einfluss auf orographische Mischphasenwolken wird in einer idealisierten Studie detailliert für den relevanten Temperaturbereich untersucht. Dabei umfasst die Analyse neben der Betrachtung der Wolkenvariablen auch Prozessraten ausgewählter mikrophysikalischer Prozesse, deren Ausgabe eigens dafür ins Modell implementiert wurde.

Des Weiteren werden in das Wolkenmikrophysikschema zwei neue Variablen zur expliziten Darstellung der Eiskeime, sogenannter Ice Nucleating Particle eingebaut. In einer zweiten idealisierten Studie wird dann der Einfluss dieser Aerosole auf die Entwicklung orographischer Mischphasenwolken umfassend untersucht.

Einen weiteren wichtigen Schwerpunkt dieser Arbeit stellt zudem die Untersuchung der so parametrisierten heterogenen Eisnukleation an Hand einer realen Fallstudie dar. Es handelt sich hierbei um ein Wolkenereignis im Februar 2013 in den Schweizer Alpen. So wird zum einen analysiert, ob die Ergebnisse der idealisierten Studien sich auch in den Simulationen eines realen Fallbeispieles widerspiegeln, und zum anderen aber auch, inwieweit die Änderungen im Modell zur Verbesserung der Simulationen führen.

Das in dieser Arbeit entwickelte und vorgestellte Konzept liefert somit die Grundlage einer realistischen Parametrisierung des heterogenen Eisnukleationsprozzeses für das COSMO-Wettermodell. Durch die sehr detaillierte Analyse unter anderem durch Betrachtung mikrophysikalischer Prozessraten gibt diese Arbeit entscheidende Impulse zur simulationsbasierten Untersuchung orographischer Mischphasenwolken und liefert so die Grundlage für weitergehende Studien.