Blick ins Wolkeneis liefert bessere Wettervorhersagen
Wolken bilden einen wesentlichen Bestandteil des Energiesystems der Erde. Sie liefern Süßwasser und tragen zur Regulierung des Klimas bei. Mischphasenwolken, die sowohl Wasser als auch Eis enthalten, stellen jedoch die größte Fehlerquelle bei Klima- und Wettervorhersagen dar. Das Ziel des im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierten Projekts SIMPHAC besteht darin, die Vorhersagemodelle mithilfe der Beschreibung zweier sekundärer Eisbildungsmechanismen zu verbessern.
Wie sich Wolkeneis bildet
Der primäre Mechanismus für die Bildung von Wolkeneis ist in der Entwicklung von Eiskristallen aus Aerosolpartikeln zu sehen. Die Mechanismen der sekundären Eisbildung sind weniger gut erforscht. Das SIMPHAC-Team konzentrierte sich auf die Beschreibung von Kollisionsbruch und Tropfenzersplitterung. Kollisionsbruch bezieht sich auf den mechanischen Bruch beim Zusammenstoß zweier Wolkeneispartikel, der zum Zerbrechen des kleineren Teils führt. Unter Tropfenzersplitterung ist das Zerspringen von Wassertröpfchen beim Gefrieren zu verstehen. Das Verhalten von Mischphasenwolken zu verstehen, ist für Wetterprognosen von zentraler Bedeutung. Dazu die Projektkoordinatorin Georgia Sotiropoulou: „Wir haben festgestellt, dass die primäre Eisbildung zwar seit mehreren Jahrzehnten als wichtigster Mechanismus der Eisbildung angesehen wird, dass aber die sekundäre Eisbildung von ähnlicher Bedeutung ist und in Atmosphärenmodellen nicht ignoriert werden sollte.“
Kaltluft strömt ein
Die SIMPHAC-Forschung legt offen, dass die sekundäre Eisbildung einen erheblichen Einfluss auf das Eintreten von Kaltlufteinströmungen hat, die als ein kritisches Wettermuster gelten. Kaltlufteinströmungen sind mit extremen Wetterereignissen verbunden und können Ernten und Gebäude schädigen und Menschenleben in Gefahr bringen. Die vom SIMPHAC-Team entwickelten Modelle haben das Potenzial, angesichts gefährlicher Wetterereignisse genauere Vorhersagen zuzulassen. Die Arbeit von SIMPHAC hat ergeben, dass Kollisionsbruch und Tropfenzersplitterung bei der sekundären Eisbildung eine wichtige Rolle spielen, da sie eine Vielzahl thermodynamischer Bedingungen beeinflussen. Sotiropoulou dazu: „Die Einbeziehung einer Beschreibung des Kollisionsbruchs in ein Wettervorhersagemodell führte zu einer genaueren Vorhersage der Wolkenfelder während eines Falls des Einströmens von Kaltluft.“
Modellierung in der Arktis
Das SIMPHAC-Team konzentrierte sich auf die Arktis, die empfindlichste Klimaregion der Welt. Im Rahmen des Projekts wurden zwei Modelle untersucht: das mesoskalige Weather and Research Forecasting Model und das Klimamodell Norwegian Earth System Model. Das SIMPHAC-Team verwendete eine unter Vaughan Phillips entwickelte Methodik für explizite Parametrisierungen, um die Mechanismen der sekundären Eisbildung in den Modellen zu beschreiben. Um die Leistung der Modelle zu bewerten, nutzten die Forschenden Messungen von Flugzeugen, die nördlich des Vereinigten Königreichs flogen, um Proben im Zusammenhang mit Einströmungen von Kaltluft zu nehmen. Zusätzlich wurden die von der Forschungsstation Ny-Alesund über ein Jahr hinweg mithilfe von Fernerkundungssensoren erhobenen Daten zur Bewertung der Modelle herangezogen. Während die arktische Region und insbesondere die Fälle von Kaltlufteinströmungen hervorragende Möglichkeiten zur Untersuchung der Mechanismen der sekundären Eisbildung bieten, weisen die im Zuge von SIMPHAC entwickelten Modelle ein vielseitiges Anwendungsspektrum auf. Gegenwärtig werden die projektintern entwickelten Modellierungsinstrumente zur Erkundung der Eisbildung unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen eingesetzt, z. B. bei Stürmen mit extremen Niederschlägen. Genaue Vorhersagen sind für die Bewältigung des Klimawandels unerlässlich. Das SIMPHAC-Team hat durch die Verbesserung unseres Verständnisses der Eisbildung in Wolken dazu beigetragen, ein klareres Bild davon zu bekommen, auf welche Weise kleinräumige Prozesse wie die Kollision von Eiskristallen dynamische Klima- und Wettermuster beeinflussen können.
Schlüsselbegriffe
SIMPHAC, Arktis, Kaltlufteinströmung, Kältewelle, Tropfenzersplitterung, Wolkeneis, sekundäre Eisbildung, Mischphasenwolken, Kollisionsbruch, Weather and Research Forecasting Model, Norwegian Earth System Model, Forschungsstation Ny-Alesund
