DACH-3

The quantification of Earth’s solar radiation budget and its temporal changes is essential for the understanding of the genesis and evolution of climate on our planet. While the solar radiative fluxes in and out of the climate system can be accurately tracked and quantified from space by satellite programs such as CERES or SORCE, the disposition of solar energy within in the climate system is afflicted with larger uncertainties. A better quantification of the solar radiative fluxes not only under cloudy, but also under cloud-free conditions can help to reduce these uncertainties and is essential for example for the determination of cloud radiative effects or for the understanding of  temporal changes in the solar radiative components of the climate system.

We combined satellite observations of Top of Atmosphere fluxes with the information contained in surface flux observations and climate models to infer the absorption of solar radiation in the atmosphere, which we estimated at 73 Wm^-2 globally under cloud-free conditions (Wild et al. 2019 Clim Dyn). The latest generation of climate models participating in CMIP6 is now able to reproduce this magnitude surprisingly well, whereas in previous climate model  generations the cloud-free atmosphere was typically too transparent for solar radiation, which stated a long-standing modelling issue (Wild 2020 Clim Dyn, Wild et al. 1995 JClim).

With respect to changes in solar fluxes, there is increasing evidence that the substantial long-term decadal variations in surface solar radiation known as dimming and brightening occur not only under all-sky, but similarly also under clear-sky conditions (Manara et al. 2016 ACP, Yang et al. 2019 JClim; Wild et al. 2021 GRL). This points to aerosol radiative effects as major factor for the explanation of this phenomenon.

How to cite: Wild, M.: Solar radiation in the cloud-free atmosphere, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-306, https://doi.org/10.5194/dach2022-306, 2022.

Im Zusammenhang mit der geplanten Energiewende in Deutschland und Europa werden exakte Photovoltaikertragsprognosen immer wichtiger. In den meisten operationellen Wettervorhersagemodellen bleiben jedoch Aerosol- Strahlungs- und Wolkenwechselwirkungen bisher unberücksichtigt, was besonders bei Sonderwetterlagen wie Saharastaub oder Waldbrandaerosolepisoden zu Fehlprognosen des PV Ertrags führen kann. Das vom BMWi geförderte Verbundprojekt (Partner: DWD, KIT, Meteocontrol) PermaStrom (Photovoltaikertragsprognose zum besseren Management des Einflusses des atmosphärischen Aerosols auf die Stromnetze in Deutschland und Europa) untersucht deshalb unter anderem die Parametrisierung von Aerosol-Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen im ICON-ART Vorhersagemodell.

Zur Validierung des modellierten Bedeckungsgrades der 24h Modellvorhersage während Saharastaubereignissen wurden Ceilometerdaten verwendet.

Ceilometer sind bodengestützte Fernerkundungssensoren, welche nach dem Lidar-Prinzip zeitlich und vertikal hoch aufgelöst die Höhe von Wolkenunterkanten sowie Profile der Aerosolrückstreuung messen. Aus Ceilometerdaten an 13 verschiedener Stationen in Deutschland wurden stündliche Werte des Bedeckungsgrades während Saharastaubereignissen vertikal aufgelöst (500m, von 0-12000m) extrahiert und mit den stündlichen ICON-ART Vorhersagen sowie einem Kontrollexperiment ohne Staub verglichen.

Die Auswertung der mittleren Abweichung des Bedeckungsgrades zwischen Modell und Ceilometer zeigt in Wintermonaten im Mittel über die 13 Stationen eine Überschätzung der modellierten bodennahen Bewölkung (0-1000m) zwischen 2-10% und der hohen Bewölkung (6000-10000m) zwischen 1-9%, während bei der mittelhohen Bewölkung (1500m - 4000m) der modellierte Bedeckungsgrad um 1-4% geringer ist als in den Ceilometermessungen. Auffällig ist auch die Unterschätzung des modellierten Bedeckungsgrades bis zu 4% bei Wolken über 10000m. Dies ist insbesondere interessant, da sich gezeigt hat, dass hohe Zirruswolken im Zusammenhang mit Saharastaubereignissen bislang häufig nicht korrekt vorhergesagt werden können.  Für die Sommermonate finden sich insgesamt größere Abweichungen, besonders oberhalb 8000m wird der Bedeckungsgrad modellseitig um bis zu 15% überschätzt. Der ICON-ART-Lauf mit Staub weist gegenüber dem Kontrollexperiment ohne Staub in zwei von vier Monaten geringere Abweichungen (um 8-10% geringer) in Bezug auf die aus Ceilometermessungen bestimmten Bedeckungsgrade auf.

Noch deutlicher wird die Verbesserung bei der gesonderten Betrachtung von Tag-und Nachtzeiten. Hier ergibt sich während der Nachtstunden eine verbesserte Modellierung der Bewölkung zwischen 1 und 11% in allen untersuchten Monaten. Tagsüber ergaben sich Verbesserungen in drei von 4 Monaten von 10 bis 26% im Vergleich zum ICON-ART Kontrollexperiment ohne Staubberücksichtigung.

Die Ergebnisse zeigen, dass das ICON-ART Modell, das bisher nur den direkten und semi-direkten Effekt des Aerosols auf die Strahlung berücksichtigt, bereits eine verbesserte Vorhersage der Bewölkungssituation bei Saharastaubereignissen liefern kann. Im weiteren Projektverlauf ist eine Erweiterung des Modelles um zusätzliche Aerosolkomponenten und eine Einbeziehung der mikrophysikalischen Effekte des Aerosols auf die Wolkenbildung geplant.

How to cite: Wagner, A., Bachmann, V., Filipitsch, F., Förstner, J., Hoshyaripour, A., Mattis, I., Menken, J., Muth, L., Porz, N., Rohde, A., Seifert, A., Thomas, W., Vogel, H., Vogel, B., and Wagner, F.: Untersuchung von Aerosol-Strahlung-Wolken Wechselwirkungen mit Ceilometerdaten im Rahmen des PermaStrom Projektes, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-187, https://doi.org/10.5194/dach2022-187, 2022.

Diese Studie setzt sich das Ziel einen Trend in der Gesamtozonsäule über Europa zu identifizieren, indem die Datensätze des Gesamtozons und der vertikalen Ozonprofile, die seit 1994 mit dem Brewer MKIV #93 Instrument auf dem hochalpinen Sonnblick Observatorium gemessen werden, untersucht werden. Hochozon- und Tiefozon-Ereignisse werden auf ihre Frequenz und Intensität untersucht und Fallstudien der entsprechenden Großwetterlagen über Europa werden herangezogen um eine Verbindung zwischen großskaligen dynamisch-atmosphärischen Prozessen und solchen Ereignissen zu zeigen. Der Datensatz ist aufgrund der sehr hohen natürlichen Variabilität des Gesamtozons nicht-normalverteilt, die Schwellenwerte für Hochozon- und Tiefozonereignisse werden deshalb mittels einer Methode aus der Extremwerttheorie für jeden einzelnen Tag geschätzt. Es kann kein signifikanter Trend in der Gesamtozonsäule für die gesamte Messperiode identifiziert werden, allerdings findet sich ein negativer Trend in den letzten Jahren des Beobachtungszeitraums. Dieser Trend entsteht durch eine Abnahme der Hochozonereignisse und einer leichten Zunahme der Tiefozonereignisse in den letzten Jahren des Beobachtungszeitraums. Ein signifikant negativer Trend im unteren Teil der Ozonschicht lässt auf dynamische Ursachen für diese Abnahme rückschließen. Eine Analyse der Fallstudien zeigt eine klare Verbindung zwischen dem Auftreten von Hochozon- und Tiefozonereignissen und den entsprechenden Großwetterlagen über Europa, als auch der dynamischen Situation des Polarwirbels während der entsprechenden Wintersaison.    

How to cite: Rauter, D. and Simic, S.: Eine Analyse von stratosphärischem Ozon über dem Hohen Sonnblick, Österreich, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-287, https://doi.org/10.5194/dach2022-287, 2022.

Ozon (O₃) in der Stratosphäre absorbiert die biologisch schädliche ultraviolette Strahlung der Sonne (den größten Teil der UV-B-Strahlung) und verhindert, dass sie die Erdoberfläche erreicht. Die energiereiche UV-Strahlung kann das genetische Material in den Zellen von Pflanzen und Tieren, sowie von Menschen zerstören. Ohne die stratosphärische Ozonschicht wäre das Leben auf der Erde, wie wir es kennen, nicht möglich.

Der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt UV-Indexkarten zur Verfügung, um die Bevölkerung bezgl. hoher UV-Belastungen zu informieren und zu warnen [1]. Dazu werden Daten aus dem golobalen Vorhersagemodell ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic model) [2], externe Ozondaten und ein eigenes UV-Modell verwendet, um eine Vorhersage des UV-Index zu erstellen, der z.B. auf der DWD-Webseite als Vorhersage visualisiert wird.

In diesem Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem DWD ein selbstkonsistentes System entwickelt, um UV-Indexkarten vollständig mittels ICON zu generieren. Zu diesem Zweck wird ein linearisiertes Ozonschema (LINOZ) [3] für tägliche Ozonvorhersagen optimiert. Dies geschieht als Erweiterung der ICON-ART Struktur [4] [5] (ART: Aerosols and Reactive Trace gases). Für die Berechnung von UV-Strahlungsflüssen und -indizes wurde ein Strahlungstransportmodell für Sonnenstrahlung (Cloud-J) [6] implementiert und angepasst. Da das gesamte System als effiziente Lösung für UV-Indexvorhersagen dem DWD zur Verfügung gestellt werden soll, wird besonders Wert auf eine umfassende Funktionalität bei sehr geringem Rechenaufwand gelegt. Ein wichtiger Teil der Arbeit ist daher auch die Validierung und Optimierung der Verfahren und Abläufe, um zuverlässige und qualitativ hochwertige Vorhersagen zu erstellen.

Wir präsentieren erste Ergebnisse des von ICON-ART modellierten UV-Strahlungsflusses durch die Atmosphäre auf globaler Skala und über ausgewählten Gebieten, dessen tageszeitliche Variation, sowie den Einfluss von Wolken auf die UV-Intensität.

Anmerkung:

Dieses Projekt wird durch den Deutschen Wetterdienst im Rahmen der Extramuralen Forschung mit folgender Nummer gefördert: 4819EMF03.

Referenzen:

[1]  https://kunden.dwd.de/uvi/index.jsp

[2]   Zängl, G., et al., The ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic) modelling framework of DWD MPI-M: Description of the non-hydrostatic dynamical core. Q.J.R. Meteorol. Soc., 141(687), 563-579 (2014)

[3]   McLinden, C. A., et al., Stratospheric ozone in 3-D models: A simple chemistry and the cross-tropopause flux, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 105(D11), 14653-14665 (2000)

[4]  Rieger, D., et al., ICON-ART - A new online-coupled model system from the global to regional scale, Geosci. Model Dev., 8(6), 1659-1676 (2015)

[5]  Schröter, et al., ICON-ART 2.1: a flexible tracer framework and its application for composition studies in numerical weather forecasting and climate simulations. Geosci. Model Dev., 11(10), 4043-4068 (2018)

[6]  Prather, M.J., Photolysis rates in correlated overlapping cloud fields: Cloud-J 7.3c. Geosci. Model Dev., 8(8), 2587-2595 (2015)

How to cite: Weber, S., Ruhnke, R., Scharun, C., Seifert, A., and Braesicke, P.: Ozonsimulationen mit ICON für die Verbesserung von UV-Vorhersagen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-214, https://doi.org/10.5194/dach2022-214, 2022.

Aerosole beeinflussen Wolken auf äußerst verschiedene Weise. Neben mikrophysikalischen Effekten von Aerosolpartikeln auf die Wolkenbildung führt die Wechselwirkung von Aerosolen mit atmosphärischer Strahlung zu Veränderungen der lokalen Erwärmungsraten, der turbulenten Flüsse von sensibler und latenter Wärme in Bodennähe und damit der mesoskaligen Zirkulationen, die auch Wolken verändern können. Über diese so genannten semi-direkten Effekte ist unter realistischen Bedingungen relativ wenig bekannt - ein Grund, warum in dieser Studie die Auswirkungen absorbierender Aerosolpartikel auf Wolken- und Strahlungsfelder über Deutschland untersucht werden. Unter Verwendung hochauflösender Modellsimulationen mit Gitterabständen von 312 und 625 m werden numerische Experimente mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften von Aerosolen gegenübergestellt, wobei rein streuendes Aerosol als Referenz und realistisches absorbierendes Aerosol als Störung verwendet wird. Die kombinierte Wirkung von Oberflächenverdunkelung und atmosphärischer Erwärmung führt zu positiven Temperatur- und negativen Feuchteanomalien zwischen 800 und 900 hPa, die sich auf die Wolkenbildung in niedriger Höhe auswirken. Sowohl eine verringerte relative Luftfeuchte als auch eine erhöhte atmosphärische Stabilität unterhalb der Wolken führen zu einer Verringerung der Bedeckung flacher Wolken sowie zu einer Reduktion des Flüssigwasserpfads und des Niederschlags. Ferner kann festgestellt werden, dass die direkten und die semi-direkten Effekte des absorbierenden Aerosol-Antriebs ähnliche Größenordnungen haben und gleichermaßen zu einer Verringerung der Nettostrahlung am Oberrand der Atmosphäre beitragen.

How to cite: Senf, F., Tegen, I., and Quaas, J.: Über Mechanismen, die zur Verringerung der Wolkenbedeckung durch absorbierendes Aerosol über Land führen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-15, https://doi.org/10.5194/dach2022-15, 2022.

The highlight of our multiwavelength polarization Raman lidar measurements during the 1-year MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) expedition in the Arctic Ocean ice from October 2019 to May 2020 was the detection of a persistent, 10 km deep aerosol layer in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS) with clear and unambiguous wild-fire smoke signatures. The smoke is supposed to originate from extraordinarily intense and long-lasting wildfires in central and eastern Siberia in July and August 2019 and may have reached the tropopause layer by the self-lifting process.

Temporally almost parallelly, record-breaking wildfires accompanied by unprecedentedly strong pyroconvection were raging in the south-eastern part of Australia in late December 2019 and early January 2020. These fires injected huge amounts of biomass-burning smoke into the stratosphere where the smoke particles became distributed over the entire southern hemispheric in the UTLS regime from 10-30 km to even 35 km height. The stratospheric smoke layer was monitored with our Raman lidar in Punta Arenas (53.2°S, 70.9°W, Chile, southern South America) for two years.

The fact that these two events in both hemispheres coincided with record-breaking ozone hole events in both hemispheres in the respective spring seasons motivated us to discuss a potential impact of the smoke particles on the strong ozone depletion. The discussion is based on the overlapping height ranges of the smoke particles, polar stratospheric clouds, and the ozone hole regions. It is well known that strong ozone reduction is linked to the development of a strong and long-lasting polar vortex, which favours increased PSC formation. In these clouds, active chlorine components are produced via heterogeneous chemical processes on the surface of the PSC particles. Finally, the chlorine species destroy ozone molecules in the spring season. However, there are two pathways to influence ozone depletion by aerosol pollution. The particles can influence the evolution of PSCs and specifically their microphysical properties (number concentration and size distribution), and on the other hand, the particles can be directly involved in heterogeneous chemical processes by increasing the particle surface area available to convert nonreactive chlorine components into reactive forms. A third (indirect) impact of smoke, when well distributed over large parts of the Northern or Southern hemispheres, is via the influence on large-scale atmospheric dynamics.

We will show our long-term smoke lidar observations in the central Arctic and in Punta Arenas as well as ozone profile measurements during the ozone-depletion seasons. Based on these aerosol and ozone profile data we will discuss the potential interaction between smoke and ozone.

How to cite: Ohneiser, K., Ansmann, A., Engelmann, R., Barja, B., Baars, H., Seifert, P., Griesche, H., Radenz, M., Hofer, J., Althausen, D., and Jimenez, C.: Record-breaking stratospheric smoke and record-breaking ozone depletion events in the Arctic and in Antarctica in 2020! Any link between smoke occurrence and ozone depletion?, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-111, https://doi.org/10.5194/dach2022-111, 2022.

Vulkanausbrüche stellen eine der größten Unsicherheiten für die Entwicklung des Klimas auf Zeitskalen von einigen Jahren bis zu einem Jahrzehnt dar. Gleichzeitig ermöglichen sie die Untersuchung der Reaktion des Klimasystems auf diese Ereignisse und können so das theoretische Verständnis des Klimasystems verbessern. Im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsgruppe VolImpact (FOR 2820) werden in fünf wissenschaftlichen Projekten verschiedene Aspekte vulkanischer Einflüsse auf Atmosphäre und Klima untersucht, wie die initiale Entwicklung der Vulkanwolke, der Einfluss von Vulkanausbrüchen auf die stratosphärische Aerosolschicht, die Wechselwirkung vulkanischer Aerosole mit Wolken in der Troposphäre, sowie vulkanische Effekte auf die Dynamik der mittleren Atmosphäre und den troposphärischen Wasserkreislauf. In diesem Beitrag sollen nach einer Übersicht über die wichtigsten vulkanischen Einflüsse auf das Erdsystem exemplarisch einige wissenschaftliche Highlights aus der laufenden ersten Phase der Forschungsgruppe VolImpact vorgestellt werden. So zeigte sich beispielsweise, dass die Wechselwirkung der Asche mit kurzwelliger Strahlung zu Erwärmung und Auftrieb der Vulkanwolke führt, was die Lebensdauer der vulkanischen Aerosole in der Atmosphäre erhöht. Außerdem ergab die Analyse von SAGEIII/ISS Satellitenmessungen, dass stratosphärische Sulfataerosolpartikel nach vielen Eruptionen unerwarteterweise kleiner werden, was wichtige Konsequenzen für die physikalischen und chemischen Effekte der Aerosole nach sich zieht. Die zugrundeliegenden mikrophysikalischen Prozesse sind bisher nicht vollständig verstanden. Darüber hinaus konnte in Simulationen mit UA-ICON (Upper Atmosphere Version des ICON-Modells) gezeigt werden, dass die Erwärmung der unteren Stratosphäre durch vulkanische Aerosole zu einer starken Erwärmung an der Mesopause führen kann, die über eine vertikale Kopplung durch Schwerewellen vermittelt wird.

How to cite: von Savigny, C. and the VolImpact-Team: Vulkanische Einflüsse auf Atmosphäre und Klima: Wissenschaftliche Highlights der DFG Forschungsgruppe VolImpact (FOR 2820), DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-177, https://doi.org/10.5194/dach2022-177, 2022.

Die Wolkenverfolgung ist die einzige Möglichkeit zur Beobachtung der zeitlichen Entwicklung von Wolken und zur Quantifizierung der Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften während ihrer Lebensdauer (Seelig et al., 2021). Der Schlüssel dazu sind zeitaufgelöste Messungen von Instrumenten an Bord geostationärer Satelliten. Experimente mit atmosphärenähnlicher Konfiguration treiben die Entwicklung von Messmethoden und Alghoritmen unter Laborbedingungen voran. Heutzutage ist es z.B. möglich zweidimensionale, zeitlich und räumlich hochaufgelöste Geschwindigkeitsfelder auf Basis der Verschiebung kleinster Partikel zu messen (Seelig and Harlander, 2015; Seelig et al., 2018). Die Methodik der Partikelgeschwindigkeitsmessung dient als Anfangsbedingung zum Verfolgen dieser Partikel und kann auf troposphärische Wolken angewendet werden. Diese Präsentation stellt die Analogie von Experiment zur Realität vor, beschreibt das Verfahren der Partikelgeschwindigkeitsmessung und die Anwendung auf Daten geostationärer Satelliten.

Literatur:

Seelig, T., Deneke, H., Quaas, J., and Tesche, M.: Life cycle of shallow marine cumulus clouds from geostationary satellite observations, J. Geophys. Res.: Atmos., 126(22), e2021JD035577, https://doi.org/10.1029/2021JD035577, 2021.

Seelig, T., Harlander, U., and Gellert, M.: Experimental investigation of stratorotational instability using a thermally stratified system: instability, waves and associated momentum flux, Geophys. Astrophys. Fluid Dyn., 112, 239-264, https://doi.org/10.1080/03091929.2018.1488971, 2018.

Seelig, T. and Harlander, U.: Can zonally symmetric inertial waves drive an oscillating zonal mean flow?, Geophys. Astrophys. Fluid Dyn., 109, 541-566, https://doi.org/10.1080/03091929.2015.1094064, 2015.

How to cite: Seelig, T., Müller, F., and Tesche, M.: Wolkenverfolgung: Vom Experiment zur Realität, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-139, https://doi.org/10.5194/dach2022-139, 2022.

The observation of low-level stratocumulus cloud decks in the Arctic poses challenges to ground-based remote sensing. These clouds frequently occur during summer below the lowest range gate of common zenith-pointing cloud radar instruments, like the KAZR and the Mira-35. In addition, the optical thickness of these low-level clouds often do cause a complete attenuation of the lidar beam. For remote-sensing instrument synergy retrievals, as Cloudnet (Illingworth, 2007) or ARSCL (Active Remote Sensing of Clouds, Shupe, 2007), liquid-water detection in clouds is usually based on lidar backscatter. Thus, a complete attenuation can cause misclassification of mixed-phase clouds as pure-ice clouds. Moreover, the missing cloud radar information makes it difficult to derive the cloud microphysical properties, as most common retrievals are based on cloud radar reflectivity.

A new low-level stratus detection mask (Griesche, 2020) was used to detect these clouds. The liquid-water cloud microphysical properties were derived by a simple but effective analysis of the liquid-water path. This approach was applied to remote-sensing data from a shipborne expedition performed in the Arctic summer 2017. The values calculated by applying the adjusted method improve the results of radiative transfer simulations yielding the determination of radiative closure.

Illingworth et al. (2007). “Cloudnet”. BAMS.

Shupe (2007). “A ground-based multisensor cloud phase classifier”. GRL.

Griesche et al. (2020). “Application of the shipborne remote sensing supersite OCEANET for profiling of Arctic aerosols and clouds during Polarstern cruise PS106”. AMT.

How to cite: Griesche, H., Barrientos Velasco, C., and Seifert, P.: Arctic low-level clouds and their importance for radiative transfer simulations, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-135, https://doi.org/10.5194/dach2022-135, 2022.

Auch in aktuellen Bewertungsstudien wird angenommen, dass Kondensstreifen-Zirren den größten Beitrag zur Klimawirkung des Luftverkehrs liefern. Bisher wurde die Klimawirkung von Kondensstreifen allerdings fast ausschließlich anhand von Strahlungsantrieben bewertet. Dabei konnte bereits gezeigt werden, dass der seit einigen Jahren als Bewertungsmetrik empfohlene „Effektive Strahlungsantrieb“ in diesem Fall erheblich kleiner ausfällt als bisher verwendete klassische Strahlungsantriebe. Die zu erwartende Temperaturänderung am Boden sollte demnach ebenfalls deutlich schwächer ausgeprägt sein als bisher angenommen.

Hier präsentieren wir Ergebnisse von globalen Klimamodellsimulationen mit gekoppeltem Deckschichtozean zur Berechnung der tatsächlichen Bodentemperaturänderung aufgrund von Kondensstreifen-Zirren. Neben der Klimasensitivität wurde damit auch erstmalig die Klimawirkungseffizienz von Kondensstreifen-Zirren bestimmt. Insgesamt fällt die Bodenerwärmung durch Kondensstreifen-Zirren erheblich kleiner aus als für ein CO₂ Erhöhungsexperiment mit vergleichbar großem klassischen Strahlungsantrieb. Die Klimawirkungseffizienz, basierend auf dem Effektiven Strahlungsantrieb, beträgt nur ca. ein Viertel des erwarteten Wertes. Somit wird die durch den Effektiven Strahlungsantrieb nahegelegte reduzierte Wirkung von Kondensstreifen-Zirren auf die bodennahe Temperatur sogar noch unterboten.

Zur Bestimmung der physikalischen Ursachen der verringerten Temperaturwirksamkeit wurden sowohl die schnellen als auch die langsamen Strahlungsrückkopplungen mit Hilfe einer Rückkopplungsanalyse nach dem „partial radiative perturbation“ Verfahren bestimmt. In beiden Fällen war die reduzierte Klimasensitivität der Kondensstreifen-Zirren vor allem auf eine negative Wolkenrückkopplung, bedingt durch die Reduktion von natürlicher Zirrusbewölkung, zurückzuführen.

How to cite: Bickel, M., Ponater, M., Burkhardt, U., and Bock, L.: Klimawirkung von Kondensstreifen-Zirren, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-144, https://doi.org/10.5194/dach2022-144, 2022.

The representation of microphysical processes in numerical weather prediction models remains a main source of uncertainty until today. To evaluate the influence of cloud microphysics parameterizations on numerical weather prediction, a convection permitting regional weather model setup has been established using 5 different microphysics schemes of varying complexity (double-moment, spectral bin, particle property prediction (P3)). A polarimetric radar forward operator (CR-SIM) has been applied to simulate radar signals consistent with the simulated particles. The performance of the microphysics schemes is analyzed through a statistical comparison of the simulated radar signals to radar measurements on a dataset of 30 convection days.

The observational data basis is provided by two polarimetric research radar systems in the area of Munich, Germany, at C- and Ka-band frequencies and a complementary third polarimetric C-band radar operated by the German Weather Service. By measuring at two different frequencies, the
dual-wavelength ratio is derived that facilitates the investigation of the particle size evolution. Polarimetric radars provide in-cloud information about hydrometeor type and asphericity by measuring, e.g., the differential reflectivity ZDR.

Within the DFG Priority Programme 2115 PROM, we compare the simulated polarimetric and dual-wavelength radar signals with radar observations of convective clouds. Deviations are found between the schemes and observations in ice and liquid phase, related to the treatment of particle size distributions. Apart from the P3 scheme, simulated reflectivities in the ice phase are too high. Dual-wavelength signatures demonstrate issues of most schemes to correctly represent ice particle size distributions. Comparison of polarimetric radar signatures reveal issues of all schemes except the spectral bin scheme to correctly represent rain particle size distributions. The polarimetric information is further exploited by applying a hydrometeor classification algorithm to obtain dominant hydrometeor classes. By comparing the simulated and observed distribution of hydrometeors, as well as the frequency, intensity and area of high impact weather situations (e.g., hail or heavy convective precipitation), the influence of cloud microphysics on the ability to correctly predict high impact weather situations is examined.

How to cite: Köcher, G., Ewald, F., Hagen, M., Knote, C., Tetoni, E., and Zinner, T.: Evaluation of convective cloud microphysics in numerical weather predictionmodel with dual-wavelength polarimetric radar observations, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-281, https://doi.org/10.5194/dach2022-281, 2022.

Cloud-Geoengineering-Ansätze, wie die Aufhellung von Meereswolken und die Ausdünnung von Zirruswolken, zielen durch die Injektion von Aerosolen in Wasser- und Zirruswolken darauf ab, die globale Erderwärmung zu verlangsamen.
Einige, als Eiskeime bezeichneter Aerosole können eine sehr effiziente Vereisung in Mischphasenwolken auslösen und dadurch deren Albedo reduzieren.
Wir zeigen, dass diese Mischphasenwolkenvereisung in Abhängigkeit des Zeitpunkts und der Intensität des Seedings entweder zu einer extremen Klimaerwärmung oder einer milden Abkühlung über dem Arktischen Ozean und dem Südlichen Ozean führen könnte. Mithilfe eines Klimamodells stellen wir fest, dass nur ein Bruchteil des gefrorenen Wolkenwassergehalts nach der durch Seeding verursachten Wolkenvereisung in der Atmosphäre verbleibt, während der Rest durch die Bildung von Niederschlag und Eisvirga aufgebraucht wird. Diese Reduktion des Wolkenwassers verringert zusammen mit der Wolkenphasenänderung das Reflexionsvermögen einfallender Sonnenstrahlung und den terrestrischen Wärmeeinfang. Unter den meisten Bedingungen führt dies in den mittleren und hohen Breiten zu einem Netto-Erwärmungseffekt.
Das Eiskeim-Seeding in Monaten mit geringer Sonnenscheindauer führt zu einem starken Nettokühleffekt über dem Arktischen Ozean und dem Südlichen Ozean. Diese Kühlwirkung ist maximal, wenn das Seeding so angepasst wird, dass sie 1% der Tröpfchenanzahlkonzentration der Wolken entspricht.
Wir stellen fest, dass das kontrolliertes Seeding von Eiskeimen auf Mischphasenwolken in Winter im Vergleich zu anderen Cloud-Geoengineering-Methoden mehrere Vorteile bietet: 1) Eine geringere Anzahl von Aerosolen wäre erforderlich, 2) Es lässt sich gut mit der Aufhellung mariner Wolken kombinieren und 3) An den Polen könnte der potenzielle Kühleffekt die positive Eis-Albedo-Klimarückkopplung ausgleichen.

How to cite: Villanueva, D.: Eiskeim-Seeding in Mischphasenwolken im Winter, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-49, https://doi.org/10.5194/dach2022-49, 2022.

Während der Feldkampagnen CyCyare (Limassol, Zypern) und DACAPO-PESO (Punta Arenas, Chile) wurden Fernerkundungsmethoden zur Untersuchung von Mischphasenwolken eingesetzt. Die beiden Standorte zeigen unterschiedliche Aerosolbelastungen mit sehr sauberen, marinen Luftmassen über dem Süden Chiles und höheren Aerosolmassen- und -anzahlkonzentrationen über Zypern, die häufig staubbelastet sind. Die Beobachtungen deuten auf unterschiedliche Wolkeneigenschaften hin. Um die Eigenschaften und die Entwicklung der beobachteten Wolken sowie ihre Beziehung zum umgebenden Aerosol weiter zu untersuchen, wurde das detaillierte gekoppelte mikrophysikalische Wolkenmodell COSMO-SPECS für ausgewählte reale Fallstudien angewendet.

Das SPECtral bin cloud microphysicS Modell SPECS wurde entwickelt, um Wolkenprozesse unter Verwendung von fixed-bin Größenverteilungen von Aerosolpartikeln und von flüssigen und gefrorenen Hydrometeoren zu simulieren. Es wurde in das numerische Wettervorhersagemodell COSMO implementiert und ersetzt dort die vorhandene Wolkenmikrophysik. COSMO-SPECS wurde bisher für idealisierte Fallstudien mit horizontal periodischen Randbedingungen verwendet. Mit der Berücksichtigung seitlicher Randbedingungen für die Hydrometerspektren können nun auch hochauflösende reale Fallstudien auf genesteten Gittern durchgeführt werden. Dabei wird der meteorologische Treiber COSMO mit seiner Standard-Zweimoment-Wolkenmikrophysik in mehreren Schritten auf immer feineren Gittern mit zunehmender horizontaler Auflösung angewendet. Schließlich wird das COSMO-SPECS-Modellsystem auf den innersten Gebiet mit einer horizontalen Auflösung von einigen hundert Metern angewandt, wobei Randbedingung verwendet werden, die aus dem feinsten antreibenden COSMO-Gebiet stammen. Zu diesem Zweck müssen die nicht-größenaufgelösten Hydrometeorfelder des antreibenden Modells in die entsprechenden Hydrometormassen- und -anzahlverteilungen der Hydrometerspektren von SPECS übersetzt werden.

In dieser Arbeit präsentieren wir Ergebnisse für ausgewählte Fallstudien von Mischphasenwolken, die während CyCyare und DACAPO-PESO beobachtet wurden. Mit einer Reihe von Modellsimulationen wurde die Abhängigkeit der resultierenden Wolkeneigenschaften und der Niederschlagsbildung von der INP- und Aerosolkonzentration sowie spezifischer mikrophysikalischer Prozesse untersucht. Die Ergebnisse der Modellsimulationen wurden mit den vorhandenen LIDAR- und Wolkenradarbeobachtungen an den beiden Standorten verglichen.

How to cite: Schrödner, R., Bühl, J., Seifert, P., Senf, F., Knoth, O., Stoll, J., Tegen, I., and Simmel, M.: Repräsentierung von Mischphasenwolken im spektralen gekoppelten Wolkenmikrophysikmodells COSMO-SPECS und Vergleich mit Fernerkundungsbeobachtungen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-239, https://doi.org/10.5194/dach2022-239, 2022.

We will present a study on the impacts of orographic waves, surface coupling, and aerosol load on the frequency of heterogeneous ice formation in stratiform clouds using ground-based remote-sensing observations. Disentangling the convoluted effects of vertical motions and aerosols is critical for the understanding of heterogeneous ice formation and requires comprehensive observations. For the study, multi-year datasets from Punta Arenas (53.1°S 70.9°W, Chile, >2 years) and the northern hemispheric sites of Leipzig (51.4°N 12.4°E, Germany, 2.6 years) and Limassol (34.7°N 33.0°E, Cyprus, 1.5 years) were obtained by the same set of ground-based instruments (35-GHz cloud radar, Raman polarization lidar, 14-channel microwave radiometer, Doppler lidar, and disdrometer). The datasets at Limassol and Punta Arenas resemble the first multi-year ground-based remote-sensing datasets in the Eastern Mediterranean and in the western part of the Southern Ocean, respectively.

The cloud properties were extracted from the synergistic dataset and the following key results on the efficiency of heterogeneous ice formation emerged:
The apparent lack of ice forming clouds at Punta Arenas below -15 °C can be related to orographic gravity waves, which allow persistent liquid saturation. These clouds could be identified by the autocorrelation function of the in-cloud vertical air velocity. Additionally, a correlation between the surface-coupling of a cloud and the likelihood of ice formation was found for Punta Arenas and Leipzig. At T>-10°C clouds coupled to the aerosol-rich boundary layer, were found to contain ice more frequently. Taking both effects into account, free-tropospheric, fully turbulent clouds at Punta Arenas form ice less frequently than their northern-hemispheric counterparts. This difference is linked to the lower abundance of INP in the free troposphere over the Southern Ocean.

How to cite: Radenz, M., Seifert, P., Bühl, J., Baars, H., Engelmann, R., Barja González, B., and Ansmann, A.: Disentangling the contributions of orographic waves, boundary-layer coupling, and aerosol to the occurrence of ice in mixed-phase clouds, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-278, https://doi.org/10.5194/dach2022-278, 2022.