Verbesserte Darstellung mariner Stratocumuli in GCMs

Marine Stratocumulus Wolken sind sehr wichtig für das globale Klima, werden aber bislang in globalen Zirkulationsmodellen ("general circulation model" - GCM) aufgrund ihrer geringen Dicke (wenige hundert Meter) nur ungenügend numerisch dargestellt. In diesem Antrag wird eine (lokale) Erhöhung der vertikalen Auflösung in einem GCM und die Berücksichtigung von "2 nd order"-Effekten die die Wolkendicke beeinflussen vorgeschlagen, um genauere und realistischere Vorhersagen für das zukünftige Klima zu erhalten. Niedrige, marine Stratocumulus Wolken haben einen starken Kühlungseffekt wegen der niedrigen Albedo des darunterliegenden Ozeans. Ein Zusammenhang zwischen dem Bedeckungsgrad niedriger Wolken und dem "net forcing" (Kühlung) durch Wolken ist beobachtbar. Die Darstellung von Stratocumulus Wolken in GCMs ist aber schwierig. Für einen vorgegebenen Anstieg von CO 2 sagen verschiedene Modelle unterschiedliche Anstiege der globalen Durchschnittstemperatur voraus. Der breite vorhergesagte Temperaturbereich hängt mit dem Einfluss niedriger Wolken zusammen. Der Antragsteller schlägt vor ein neues Gaußsches Gitter für das ECHAM6 GCM mit zwei zusätzlichen Ebenen zu definieren. Eine Ebene folgt dabei der Inversion an der Wolkenoberkante mit der Zeit und die andere der Wolkenbasis. Dieser Ansatz wird Diskretisierungsfehler reduzieren die aufgrund steiler Gradienten an der Inversion auftreten können und wird die Genauigkeit der komplexen Parametrisierungen für die physikalischen Prozesse die im Stratocumuls-Lebenszyklus involviert sind verbessern. In der single column version der Vorgängermodellversion ECHAM5 wurde dieser Ansatz erfolgreich von Siegenthaler-Le Drian (2010) mit sehr vielversprechenden vorläufigen Resultaten implementiert. Wenn die Dicke von Stratocumulus Wolken erst richtig im Modell dargestellt ist, wird der Einfluss von "2 nd order"-Effekten wie "entrainment", die die Entwicklung von Stratocumulus Wolken beeinflussen, untersucht. "Large eddy simulation"-Studien zeigen, dass die Wolkendicke von nächtlichen Stratocumulus Wolken durch einen Konkurrenz zwischen Befeuchtung durch verringerten Niederschlag und Trocknung durch mehr "entrainment" der darüberliegenden Wolkenschicht bestimmt ist. Beide Prozesse werden durch eine Zunahme an Aerosolpartikeln verursacht. Der Antragsteller D. Neubauer in seiner Dissertation ebenfalls die Bedeutung der Wolkendicke für den Effekt von zusätzlichen anthropogenen Aerosolpartikeln auf stratiforme Wolken gezeigt. "Entrainment" wird im Modell expliziert implementiert und damit kann eine Verbesserung der Vorhersage von Aerosol-Wolken- Interaktionen und eine Verringerung der damit verbundenen Unsicherheit erwartet werden.

In diesem Projekt wurde die numerische Darstellung mariner Stratocumulus Wolken in einem globalen Klimamodell untersucht und Verbesserungen dieser Darstellung getestet. Wolken sind wichtig für das Klima. Speziell tiefliegende, marine Stratocumulus Wolken haben einen starken Kühlungseffekt da der darunterliegende Ozean dunkel ist und die hellen Wolken die einfallende Sonnenstrahlung effektiv in den Weltraum zurückstreuen. Es ist deshalb wichtig zu verstehen wie sich diese Wolken durch menschliche Aktivitäten geändert haben und ändern werden. Sei es durch Emissionen von Treibhausgasen die die Oberflächentemperatur der Ozeane erhöhen oder die Emission von festen oder flüssigen Partikeln (oder Emissionen aus denen sich diese Partikel bilden), sogenannte Aerosolpartikel, die Oberflächen für die Kondensation von Wolkentröpfchen bereitstellen. In diesem Projekt wurde der letztere, sogenannte anthropogene Aerosoleffekt untersucht. Dabei hat sich herausgestellt, dass der anthropogene Aerosoleffekt von der numerischen Darstellung der Wolken in einem Klimamodell abhängt. Kleine Unsicherheiten bei der numerischen Darstellung der Wolken können einen großen Einfluss auf die Beurteilung des menschlichen Einflusses auf Wolken und folglich das Klima haben. Dies zeigt wie wichtig es ist Stratocumulus Wolken so realistisch wie möglich zu simulieren. Die numerische Darstellung von Stratocumulus Wolken ist aber aufgrund ihrer geringen Dicke (wenige hundert Meter) schwierig. Klimamodelle müssen mit einer relativ groben vertikalen Maschenweite auskommen, da sonst die Simulationen zu lange dauern würden. Für eine realistischere Darstellung der Wolken in einem Klimamodell wurde in diesem Projekt deshalb eine neue Parametrisierung verwendet die es erlaubt die tatsächliche Höhe der Wolkenoberkante von Stratocumulus Wolken selbst bei grober vertikaler Auflösung zu diagnostizieren. In ersten Resultaten zeigt sich, dass mit der neuen Parametrisierung eine Wolke in einer atmosphärischen Säule physikalischer absinkt.