Authors:	Bacer, Sara
Title:	Global numerical simulations of atmospheric ice crystals
Online publication date:	5-Jun-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	A comprehensive ice nucleation parameterization (Barahona and Nenes, 2009b, hereafter BN09) has been implemented in the global chemistry-climate model EMAC (ECHAM5/MESSy Atmospheric Chemistry) in order to improve the representation of ice crystal number concentration (ICNC). This parameterization takes into account the competition for water vapour between homogeneous and heterogeneous nucleation in cirrus clouds and the influence of different aerosol components on heterogeneous nucleation. Furthermore, the effect of pre-existing ice crystals, which deplete water vapour through their diffusional growth, has been included in the new algorithm. Thus, the implementation of BN09 allows one to simulate processes which are neglected by the standard configuration of EMAC used so far. The modelled ICNCs obtained by using BN09 in the cirrus regime agree with the observations, as BN09 strongly reduces the ICNCs in the upper troposphere with respect to the standard model configuration. We found that the effect of pre-existing ice crystals is the main cause of such reduction. On the other hand, the ICNC reduction due to the water vapour competition between the ice nucleation mechanisms is very weak, thus, homogeneous ice nucleation is the dominant nucleation mechanism in cirrus clouds. Focusing on the contributions of different aerosol components to immersion/condensation and deposition nucleation simulated via a parameterization included in BN09 (Phillips et al. 2013), we found that most of the new ice crystals in the cirrus regime derive from soluble organic compounds and in the mixed-phase regime from black carbon. Dust is on average less important than black carbon, and bioaerosols contribute by ~20% to form new ice crystals in the lower troposphere. Finally, the analysis of the relative importance of the physical processes which produce and remove ice crystals shows that ice nucleation is the most important source in the upper troposphere, while convective detrainment and instantaneous freezing are more important at lower altitudes, at temperatures lower than -35°C. Sedimentation, which is the most important sink of ice crystals in the upper troposphere, is the main source in the mixed-phase regime. Eine umfassende Parametrisierung der Eiskeimbildung (Barahona and Nenes, 2009b, von hier an BN09) wurde in das globale Chemie-Klima-Modell EMAC (ECHAM5/MESSy Atmospheric Chemistry) implementiert, um die Berechnung der Anzahlkonzentration von Eiskristallen (ICNC) zu verbessern. Diese Parameterisierung berücksichtigt den Wettbewerb um Wasserdampf zwischen der homogenen und heterogenen Keimbildung in Zirruswolken und den Einfluss verschiedener Aerosolkomponenten auf die heterogene Keimbildung. Des Weiteren wird der Effekt von vorhandenen Eiskristallen, welche den Wasserdampfgehalt durch Diffusionswachstum verringern, im neuen Algorithmus berücksichtigt. Die Implementierung von BN09 erlaubt daher die Simulation von Prozessen, welche bislang in EMAC vernachlässigt wurden. Mit BN09 modellierte ICNCs im Zirrus-Regime stimmen mit Beobachtungen überein, da BN09 die ICNCs in der oberen Troposphäre, relativ zum bisherigen EMAC model, reduziert. Der Effekt vorhandener Eiskristalle ist der Hauptgrund für diese Reduktion. Andererseits ist die ICNC-Reduzierung durch den Wettbewerb um Wasserdampf zwischen den Eiskeimbildungs-Mechanismen sehr schwach, daher ist die homogene Eiskeimbildung der dominante Mechanismus der Keimbildung in Zirruswolken. Die Untersuchung der Beiträge verschiedener Aerosolkomponenten zur Immersions-/Kondensations- und Depositionsnukleation unter Verwendung der in BN09 enthaltenen Parameterisierung (Phillips et al. 2013) ergab, dass die meisten neuen Eiskristalle im Zirrus-Regime von löslichen organischen Stoffen und im Regime gemischter Phasen von Rußpartikeln herrühren. Staubpartikel sind im Durchschnitt weniger wichtig als Rußpartikel. Der Beitrag von Bioaerosolen zur Bildung neuer Eiskristalle liegt bei ~20% in der unteren Troposphäre. Die Analyse der Bedeutung der verschiedenen physikalischen Prozesse, die Eiskristalle produzieren und entfernen, zeigt, dass Eiskeimbildung die wichtigste Quelle in der oberen Troposphäre ist, während konvektiver Entzug und instantanes Gefrieren in niedrigeren Höhen bei Temperaturen unter -35°C wichtiger sind. Sedimentierung, die wichtigste Senke für Eiskristalle in der oberen Troposphäre, ist die Hauptquelle im Regime gemischter Phasen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik Externe Einrichtungen
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1977
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000028044
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	X, 135 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen