The Impact of the Snow-Darkening Effect on Snow Cover and the Atmosphere During a Major Dust Event Across Eurasia

Die Oberfläche von Schnee hat ein hohes Verhältnis von gestreuter zu einfallender kurzwelliger Strahlung. Allerdings beeinflussen verschiedene Einflüsse die sogenannte Schneealbedo erheblich. Modelle verwenden meist starke Vereinfachungen der Schneealbedo, die viele Unsicherheiten mit sich bringen. Einer der Prozesse, die auf die Albedo einwirken, ist die Ablagerung von Mineralstaub auf Schnee. Die Störung des Staubs erzeugt Rückkopplungen in der Schneedecke und in der Atmosphäre. Zur Untersuchung diesen Einflusses, wurde das Modellsystem ICON-ART um eine Parametrisierung einer spektralen Schneealbedo erweitert, die Alterungsprozesse des Schnees und den Verdunklungseffekt des Mineralstaubs berücksichtigt. ... mehr
Die Alterung von Schnee wurde mittels der optisch äquivalenten Schneekorngröße, sowie der neuen spektralen Albedo anhand von Beobachtungen in Grönland ausgewertet. Es hat sich gezeigt, dass die spektrale Albedo mit den atmosphärischen Bedingungen im Tagesverlauf um mehrere Prozent variiert und dass die Alterung stark von der Schneetemperatur abhängt. Daher wurde die Parametrisierung dahingehend ergänzt, dass arktische Bedingungen ebenfalls berücksichtigt werden. Die resultierende Parametrisierung der Schneealterung ermöglicht die Simulation der optischen Schneekorngröße, die sich weitgehend mit den Messungen deckt. Die modellierte Schneealbedo stimmt mit den Beobachtungen an bewölkten Tagen in Grönland überein, aber es wird eine Überschätzung der Albedo bei klarem Himmel beobachtet.
Der Einfluss von Mineralstaub auf die Schneealbedo wurde mit den neuen Modellentwicklungen in einer Simulation eines großen Staubdepositionsereignisses im Frühjahr 2018 untersucht. Das Untersuchungsgebiet umfasst große Teile Europas und die westlichen Teile Asiens. Zehn Tage vom 22. März 2018 wurden in der ICON-LAM Konfiguration mit einer horizontalen Auflösung von 10 km simuliert. Es wurde eine Ensemble-Simulation mit einer Anzahl von 80 Mitgliedern generiert. Es wurde festgestellt, dass sich der Verdunklungseffekt sukzessiv entwickelt und von Einflüssen der natürlichen Variabilität überlagert wird. In diesem Zusammenhang interferieren modifizierte Wolkenmuster mit der Quantifizierung des Strahlungsantriebs an der Oberfläche, Änderungen der Niederschlagsmuster bei der Ermittlung des Einflusses auf die Schneehöhe und Verlagerungen großräumiger Wettersysteme bei der Untersuchung des Einflusses auf die Oberflächentemperatur und 2m-Temperatur. Die Mittelung über das Ensemble und eine Signifikanzanalyse hilft maßgeblich dabei, Signale des Mineralstaubs von dem Einfluss der natürlichen Variabilität zu trennen.
Hauptsächlich haben sich Gebiete in Gebirgen sowie flache Gebiete entlang der Schneegrenze als anfällig für den Verdunklungseffekt herausgestellt. Im Kaukasusgebirge manifestiert sich die Rückkopplung als verstärkte Schneeschmelze. Die hier gefundene Korrelation zeigt, dass am achten Simulationstag eine Reduktion der Oberflächenalbedo von -2.83 % mit einer mittleren Reduktion der Schneehöhe um -1.36 cm verbunden ist. Entlang der Schneegrenze zeigt sich die Rückkopplung auf die Mineralstaubablagerung vor allem in der Erwärmung der Oberfläche. Hier ist eine Erwärmung um 0.92 K an eine Verringerung der Oberflächenalbedo um -4.50 % gekoppelt. Im Mittel ist bei einer Verringerung der Oberflächenalbedo um -2.93 % ein Strahlungsantrieb von 19.15 W/m2 an der Oberfläche zu erwarten. Diese Studie zeigt, dass die Rückkopplung auf den Einfluss der Mineralstaubablagerung auf Schnee von der Höhe, Ausrichtung des Hangs, Schneehöhe und dem Schneebedeckungsgrad abhängig ist. Die Oberflächentemperatur reagiert in niedrigeren Lagen am stärksten auf Mineralstaub, wo die Schneedecke noch lückenhaft und dünn ist. In höher gelegenen Gebieten wirkt sich die Albedoreduktion hauptsächlich auf die Schneehöhe aus.

The surface of snow has a high ratio of scattered to incident shortwave radiation, the so-called snow albedo. However, several processes strongly affect the snow albedo, resulting in high temporal and spatial variability. Models mostly use strong simplifications of the snow albedo, which introduce many uncertainties. One of the processes modifying the albedo is the deposition of mineral dust on snow. Since the albedo is embedded in the radiation budget of the earths surface, the perturbation of the mineral dust creates a feedback with the snow cover and in the atmosphere. ... mehrIn order to investigate this impact, the model system ICON-ART was extended by a parametrization of a spectral snow albedo that considers snow aging processes and the snow-darkening effect of mineral dust.
The aging of snow was evaluated using the optical equivalent snow grain size and the new spectral albedo against observations in Greenland. The spectral albedo has been shown to vary by several percent with atmospheric conditions over the course of the day. In addition, it was observed that aging strongly depends on snow temperature. Therefore, the parametrization was extended to include arctic conditions. The final parametrization of the snow metamorphism leads to a simulation of the optical grain size which is in agreement with the measurements. The modeled snow albedo is consistent with observations during cloudy days in Greenland, but an overestimation of the clear-sky albedo is observed.
The influence of mineral dust on snow albedo was investigated using the new model developments in a simulation of a large dust deposition event in spring 2018. The study area covers large parts of Europe and the western parts of Asia. Ten days from March 22, 2018 were simulated in the ICON-LAM setting at a horizontal resolution of 10 km.
An ensemble simulation with a total of 80 members was generated. It was found that the snow-darkening effect develops gradually and is overlaid by natural variability. In this context, the change in cloud cover plays a major role in determining the feedback as radiative forcing at the surface. The reduction in snow depth is veiled by the changes in snowfall patterns, whereas the feedback in surface temperature and 2m-temperature are masked by shifts of large-scale weather systems. Averaging over the ensemble and a significance analysis considerably assists in separating signals from mineral dust from the influence of natural variability.
Mainly mountainous regions turned out to be susceptible to the darkening effect. But also flat areas showed strong effects at the snow line despite lower concentrations. It was found that the snow cover fraction plays an important role in this context. In the Caucasus Mountains, where the snow pack is usually dense, the feedback manifests itself as increased snow melt. The correlation found here indicates that a reduction in surface albedo by -2.83 % is associated with a mean reduction in snow depth by -1.36 cm on the eighth simulation day. Along the snow line, however, the feedback to mineral dust deposition is evident not only in the snow depth, but primarily in the warming of the surface. Here, a warming by 0.92 K is connected to a reduction in surface albedo by -4.50 %. On average, a surface albedo reduction by -2.93 % is expected to result in a surface radiative forcing of 19.15 W/m2. This study shows that the feedback to mineral dust deposition on snow depends on several factors. Primarily, these are namely altitude, slope, snow depth, and snow cover fraction. Surface temperature responds most strongly to mineral dust at lower elevations, where the snow pack is still patchy and thin. At higher elevations, it is mainly the snow depth that responds to the albedo perturbation. Thus, the snow-darkening effect is case-dependent and the above-mentioned aspects must be taken into account.