The Microphysical and Radiative Interactions of Arctic Multilayer Clouds

Mehrschichtige Wolken ("Multilayer Clouds", MLCs) treten in der Arktis häufig auf, sind aber in der vorhandenen Literatur bisher unterrepräsentiert. MLCs sind definiert als mehrere Wolkenschichten, welche vertikal überlagert sind. Die Arktis ist im Allgemeinen eine wolkenreiche Region, die durch das Phänomen der polaren Amplifikation (Arctic Amplification), d. h. die beschleunigte Erwärmung der arktischen Region aufgrund des Klimawandels in den letzten Jahrzehnten, erheblich beeinträchtigt wurde. Dieser Mechanismus ist noch nicht vollständig geklärt. Die Rolle der Wolken ist für das Verständnis dieser Veränderungen und ihrer künftigen Auswirkungen in der Region von entscheidender Bedeutung. ... mehrFolglich besteht weiterer Forschungsbedarf, um unser Verständnis dafür zu verbessern, wie wir arktische Wolken in Wetter- und Klimamodellen genauer darstellen können und inwieweit mehrschichtige Wolken eine Rolle spielen.
Um weitere Einblicke in diese Wolkensysteme zu gewinnen, untersuchen wir MLCs während der Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) Kampagne in der Arktis, welche in den Jahren 2019/2020 statt fand. Dies war die größte einjährige Kampagne in der Hocharktis und hat bahnbrechende neue Messungen und Langzeitstatistiken geliefert. Daher dient sie als Standort für die Evaluierung für die Modellentwicklung. Wir verwenden das nicht-hydrostatische ICOsahedral-Modell (ICON), um die Darstellung dieser Wolken in Modellsimulationen zu bewerten, unser Verständnis ihrer mikrophysikalischen und strahlungsbezogenen Wechselwirkungen zu vertiefen und die allgemeine Modellierung arktischer Wolken zu verbessern. Wir stellen fest, dass die Häufigkeit von MLCs in der Arktis 67% beträgt, was darauf hindeutet, dass sie die Messungen und Wolkenbeobachtungen in der Region dominieren. Allerdings sind MLCs nach wie vor schwer zu modellieren, da eine korrekte Darstellung der thermodynamischen Profile für die vertikale Schichtung sowie der arktischen Aerosole erforderlich ist. Die relative Häufigkeit von Aerosolen bestimmt die Massen- und Anzahlkonzentrationen von Wolkenwasser und Wolkeneis. Das Modell unterschätzt durchweg die Eismassenkonzentration im Vergleich zu den Beobachtungen.
Wir stellen fest, dass die Darstellung der primären Eisproduktion von entscheidender Bedeutung ist, dass aber die sekundäre Eisproduktion, bei welcher Wolkenhydrometeore interagieren und Eissplitter bilden, erforderlich ist, um die beobachteten Werte zu erreichen.
Mehrschichtige Wolken interagieren durch Strahlung und Mikrophysik. In Bezug auf die Strahlung wird eine Unterdrückung der langwelligen Strahlungskühlung der Wolkenoberkante in den unteren Wolkenschichten festgestellt, wenn überlagernde Wolken vorhanden sind. Die Reduktion beträgt 24 K pro Tag an der Wolkenoberseite von Mischphasenwolken. Mikrophysikalisch interagieren sie durch den Seeder-Feeder-
Mechanismus, bei dem gefrorene Hydrometeore wie Eis, Schnee und Graupel von einer oberen "Seeder"-Wolke in eine untere "Feeder"-Wolke fallen. Die Hydrometeore wirken als Nukleationskeim für die Eisbildung und fördern effizient das Eiswachstum und dadurch die Niederschlagsbildung. Wir stellen fest, dass "Seeding" (Impfen) in 48% unserer modellierten MLCs vorkommt, was diesen Prozess als einen wichtigen Einfluss auf die Struktur arktischer MLCs hervorhebt.

Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung der Untersuchung MLCs in der Arktis aufgrund ihrer Häufigkeit in dieser Region. Die mikrophysikalischen und strahlungs-bedingten Interaktionen zwischen den Wolkenschichten und der Oberfläche werden quantifiziert, und wir liefern eine solide mikrophysikalische Grundlage für weitere Studien zu diesen Wolkensystemen.

Multilayer clouds (MLCs) are common in the Arctic, yet they are hitherto underrepresented in the existing literature. MLCs are defined as clouds that are vertically stacked. The Arctic is, in general, a cloudy region that has been significantly affected by the phenomenon of Arctic Amplification, which refers to the accelerated warming of the Arctic region due to climate change over recent decades. This mechanism is not yet fully understood. The role of clouds is of critical importance in understanding these changes and their future impacts in the region. Consequently, there is a need for further research to enhance our understanding of how we can more accurately represent Arctic clouds in climate and weather models and to what extent multilayer clouds play a role in the climate system. ... mehrTo gain further insight into these cloud systems, we study multilayer clouds during the high-Arctic Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) campaign during 2019/2020. This was the largest year-long campaign in the high-Arctic and has provided us with ground-breaking new measurements and long-term statistics of the Arctic system. To this effect, it serves as a long-term evaluation site for model development. We set up the ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) model, using case studies, to evaluate the representation of MLCs, deepen our understanding of how they interact, microphysically and radiatively, and improve the general modelling of Arctic clouds.
We find a 67% occurrence frequency of MLCs across the Arctic during the early Autumn of 2020, indicating that they govern the observational signals in the region. However, MLCs remain a challenge to model. In particular, accurate thermodynamic profiles are required for vertical layering and an improved representation of Arctic aerosols must be included. The relative abundance of aerosols governs cloud liquid and ice mass (and number) concentrations. The model consistently underestimates ice mass concentrations compared to observations. We find that representing the primary ice production is vital but secondary ice production, whereby cloud hydrometeors interact and produce ice splinters, is required to reach observed values.

Multilayer clouds interact through radiation and microphysics. Radiatively, a suppression in cloud-top longwave radiative cooling is found in lower cloud layers when overlaying clouds are present. The reduction amounts to 24 K day$^{-1}$ for mixed-phase cloud tops. Microphysically, they interact through the seeder-feeder mechanism, whereby frozen hydrometeors such as ice, snow, and graupel fall from an upper seeder cloud into a lower feeder cloud. The hydrometeors act as seeds for ice formation and efficiently promote ice growth and further precipitation. We find a 48% occurrence of seeding in our modelled multilayer clouds, stressing this process as a major influence on Arctic MLCs.

This work highlights the importance of studying multilayer clouds in the Arctic due to their abundance in the region. Microphysical and radiative impacts on other cloud layers as well as the surface are quantified and we have acquired a deeper understanding of how the clouds interact with each other and the surface. With this study, we provide improved modelling methods and a solid foundation for further modelling studies on multilayer clouds.