Ice formation pathways in warm conveyor belts

Abstract

Reine Eiswolken in der Erdatmosphäre in Höhen zwischen 7 und 12 Kilometer werden allgemein als ’Cirrus’ bezeichnet. Wir unterscheiden zwischen zwei thermodynamis- chen Entstehungswegen für natürlichen Cirrus, einen nahe und einen unter Sättiung im Bezug auf Wasser. Unterhalb des Dreiphasenpunkts (0 ◦ C) gefrieren Wassertropfen nahe Sättigung für gewöhnlich durch Interaktionen mit einem geeigneten Aerosolpartikel (Eiskeim), welches den Gefrierprozess initiiert. Ohne Eiskeime können Wassertropfen bis zu ≈ −35 ◦ C unterkühlt werden bis sie durch spontane Fluktuationen homogen gefrieren. Entsteht der Cirrus durch Gefrieren von Wassertropfen wird der Entstehungsweg als ’liq- uid origin’ bezeichnet. Ist die Luft untersättigt im Bezug auf Wasser können Eiskristalle bei hoher Eisübersättigung auch direkt aus der Gasphase entstehen. Dies geschieht zum Beispiel durch die Deposition von Dampf direkt auf die Oberfläche eines Aerosol- partikeles, welche Eisnukleationseigenschaften besitzt, wie zum Beispiel Staub. Dieser Entstehungsweg wird als ’in-situ’ bezeichnet. Messungen deuten daraufhin, dass Cirrus charakteristische Eigenschaften je nach Entste- hungsweg aufweist. So nehmen wir an, dass ’liquid origin’ Cirrus für gewöhnlich höhere Eisanzahlkonztrationen und größere Eiskristalle als ’in-situ’ Cirrus zeigt. Dies beeinflusst die Strahlungseigenschaften des Cirrus, also ob er im Schnitt wärmend oder kühlend wirkt. Es ist also wichtig, dass wir unser physikalischen Verständnis der Cirrus Entste- hung verbessern um ihren Einfluss auf die Energiebilanz der Erde einschätzen zu können. Dies ist besonders wichtig für die großflächigen Cirruswolkenfelder, die im Outflow von Warm Conveyor Belts (WCB) entstehen. Warm Conveyor Belts sind häufig auftre- tende synoptische Wettererscheinungen, die im Warmsektor von außertropischen Zyk- lonen entstehen. Diese gewaltigen atmosphärischen Strömungen heben Wolkentropfen und feuchte Luft aus der Grenzschicht bis in die obere Troposphäre wodurch sie Cirrus- wolken erzeugen. Jedoch besteht kein Konsens darüber ob dabei der ’liquid origin’ oder ’in-situ’ Entstehungsweg präferiert wird. Im erstem Teil dieser Doktorarbeit stellen wir ein neues Mikrophysikmodell, das ’Eismod- enschema’, vor, welches erlaubt in atmosphärischen Simulationen den Entstehungsprozess von Eiskristallen zu erfassen. Damit teilen wir die Eiskristalle in ’Eismoden’ auf. Mit dieser Herangehensweise lässt sich die Herkunft von Cirren klassifizieren. Zunächst wird dieses neue Mikrophysikmodell in idealisierten Simulationen von hochre- ichender Konvektion getestet und mit Referenzsimulationen verglichen. Als Nächstes wird das Eismodenschema in einer Fallstudie eingesetzt um die Eisentstehungswege in einem WCB zu untersuchen und mit einem etablierten Algorithmus zur Cirrusklassi- fizierung zu vergleichen. Die Cirruseigenschaften beider Klassifizierungsmethoden wer- den mit Klimatologien aus Beobachtungsdaten verglichen. Als Nächstes wird der Einfluss verschiedener heterogener Eisnukleations Parametrisierun- gen auf die Eisentstehungswege und Cirrusklassifizierung untersucht. Als Letztes wird diese Analyse der Eisentstehungswege für ein Ensemble von WCB Fallstudien wieder- holt. Dort wird die Beziehung von dem präferierten Eisentstehungsweg zu den atmo- sphärischen Startbedingungen der WCB Luftströme untersucht.

Pure ice clouds occurring on altitudes between 7 and 12 kilometer in Earth’s atmosphere are commonly referred to as ’cirrus’. We distinguish between two thermodynamical path- ways to form natural cirrus clouds, one close to and one below water saturation. Water droplets freeze below the triple point (0 ◦ C) close to water saturation due to interac- tion with aerosol particles or unaided, once the droplets are sufficiently supercooled (≈ −35 ◦ C) . This formation process is referred to as ’liquid origin’. In air subsaturated with respect to water but supersaturated with respect to ice, ice crystals can also form directly from the water vapor phase. Usually by deposition of vapor directly onto aerosol particles, that show ice nucleating qualities, for example dust, or onto aqueous solution droplets. This formation process is referred to as ’in-situ’. Observations suggest that cirrus of each formation pathway show characteristic prop- erties. In general we assume that liquid origin cirrus contains higher ice mass concen- trations and larger ice crystals than in-situ cirrus. This impacts the radiative effects of cirrus clouds, e.g., if there are net warming or cooling. It is important to increase our physical understanding of cirrus formation pathways to asses their influence on Earth’s energy budget. This is especially important for large cirrus cloud fields occurring in the outflow of Warm Conveyor Belts (WCB). Warm Conveyor Belts originate in the warm sector of extrat- ropical cyclones and are a frequent occurrence. These massive, coherent air streams transport droplets and moist air from the planetary boundary layer into the upper tro- posphere where they form cirrus. However, whether the liquid origin or in-situ formation pathway is preferred remains unclear. In the first part of the thesis a novel microphysics scheme is introduced, that allows to distinguish between ice crystals stemming from different formation pathways, referred to as ’ice modes’, in atmospheric simulations. This new approach allows for classification of cirrus origin. First the new ice modes scheme is tested for idealised simulations of deep convection and compared to reference simulations. Next the ice modes scheme is used to investi- gate the ice formation pathways in a WCB case study and compared to an established method of classifying cirrus origin. The cirrus properties of both classification schemes are compared to climatologies from observations. Next the impact of different heterogeneous ice nucleation setups on the ice formation pathways and cirrus classification is evaluated. Lastly the analysis of ice formation path- ways with the ice modes scheme is applied to an ensemble of WCB cases. There the relation of favoured ice formation pathways to environmental starting conditions of the WCB air streams is investigated.