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| Grenzschichtwolken machen einen groÿen Teil des Gesamtbedeckungsgrads auf der ganzen Welt aus. Diese Wolken spielen eine bedeutende Rolle beim vertikalen Transport von Wärme, Feuchtigkeits und Impuls von der Oberfläche durch die Grenzschicht. Somit haben diese Wolken einen signifikanten Einfluss auf die vertikale Struktur der Grenzschicht. Neben diesem Einfluss auf die vertikale Struktur, haben sie auch einen großen Einfluss auf das Strahlungsbudget der Erde. Üblicherweise haben Grenzschichtwolken eine höhere Albedo als die Erdberfläche darunter und infolgedessen ist das Reflexionsvermögen für Sonnenstrahlung erhöht. Aufgrund dieser starken Auswirkungen auf die atmosphärischen Bedingungen ist es wichtig, dass Grenzschichtwolken und dazugehörige Prozesse bei der Simulation (zukünftiger) Klimaszenarien berücksichtigt werden.
Eine der größten Unsicherheiten bei Klimaprojektionen hängt zusammen mit der Unsicherheit, wie Grenzschichtwolken auf den Klimawandel reagieren. Diese Unsicherheit bezüglich des Feedbacks von Wolken ist hauptsächlich mit der Verwendung allgemeiner Zirkulationsmodelle (GCMs) für Klimaprojektionen verbunden. Da GCMs eine sehr grobe Auflösung haben, erfordern sie Parametrisierungen, um Grenzschichtprozesse und Wolken darzustellen. Diese Parametrisierungen sind nicht perfekt, weshalb GCMs Schwierigkeiten haben die Strahlungse_ekte von Wolken darzustellen. Daher benutzt man hochauflösende Modelle wie Large-Eddy-Simulationen (LESs), die weniger Parametrisierungen benötigen, um Grenzschichtprozesse und Wolken zu untersuchen.
Einige Untersuchungen zu Klimaprojektionen wurden mit LES Modellen durchgeführt, bei denen eine Störung auf das Modell zur Simulation eines möglichen zukünftigen Klimasaufgeprägt wird. Solche Störungen beinhalten eine Erhöhung der Meeresoberflächentemperatur und/oder der CO2-Konzentration. Unter zukünftigen Klimabedingungen wird erwartet, dass die Atmosphäre wärmer ist und daher eine gröÿere Menge Feuchtigkeit enthalten kann.
Diese erhöhte Feuchtigkeit kann zu sehr feuchter Schichten über der Grenzschicht führen, die als “elevated moisture layers” bekannt sind und in der Natur bereits beobachtet wurden. Diese Arbeit untersucht die Reaktion von Grenzschichtwolken auf das Vorhandensein einer “elevated moisture layer” basierend auf den beobachteten Bedingungen während des Forschungs_uges 4 der ersten NARVAL-Kampagne (Next Generation-Aircraft Remote Sensing). Diese Studie ist in drei Abschnitte unterteilt. Der erste und zweite Teil der Analyse konzentrieren sich auf den Vergleich des LES mit Beobachtungen, die während der Kampagne gewonnen wurden, um die Repräsentativität des Modells zu testen. Anschließend wird die Reaktion von Grenzschichtwolken auf eine Änderung des “elevated
moisure layer” untersucht.
Zu diesem Zweck werden zunächst LESs an den Standorten der 11 Fallsonden generiert, die während des vierten Forschungsfluges der NARVAL-Kampagne gestartet wurden, welcher am 14. Dezember stattfand. Erste Ergebnisse zeigen, dass das LES die beobachteten atmosphärischen Bedingungen gut darstellt und ein starkes Anwachsen der Grenzschicht mit der Zeit zeigt, die zuvor am Barbados Cloud Observatory beobachtet wurde. Die Ergebnisse der Simulationen deuten darauf hin, dass das LES die Höhe der Grenzschichtinversion erfassen kann. Einige Einschränkungen gibt es bei der Erfassung der Stärke der Inversion, was möglicherweise damit zusammenhängt, dass extrem trockene Bedingungen über der Grenzschicht beobachtet wurden.
Anschlieÿend wird das LES mit Retrievals des HALO (High Altitude and Long Range Aircraft) Microwave Package (HAMP) verglichen. Um die Flugbahn zu berücksichtigen, werden die mittleren groÿräumigen Pro_le von den Positionen der 9 Fallsonden verwendet, um einen zusammengesetzten, repräsentation Fall. Das Ziel der Verwendung dieses Falls bestand darin, zu untersuchen, ob das LES in der Lage ist, die groÿe Variabilität des integrierten Wasserdampf- und Flüssigwasserpfads zu erfassen, der über den Flugweg hinweg ermittelt wurde. Bei Verwendung eines LES mit einem großem Simulationsgebiet von einer horizontalen Ausdehnung von 51,2 km2 nähert sich die Variabilität des integrierten Wasserdampf- und Flüssigwasserpfads den beobachteten Werten an, während bei kleineren Simulationsgebieten die Variabilität stärker unterschätzt wird. Die Simulationen zeigen eine Korrelation zwischen dem Organisationsgrad, Iorg, und dem Niederschlagsfluss, der Variabilität des integrierten Wasserdampfs, sowie der Variabilität des Flüssigkeitswasserpfads. Die Steigung der Abhängigkeit zwischen der Variabilität des integrierten Wasserdampfs und Iorg ist in allen Simulationen ähnlich groÿ. Hingegen unterscheiden sich die Steigungen der Abhängigkeit zwischen Iorg und sowohl der Variabilität des Flüssigkeitswasserweges als auch der Niederschlags_usswerte zwischen den einzelnen Simulationen. Dies deutet darauf hin, dass sich die Simulationen durch unterschiedliche Strukturen in den Wolken unterscheiden und dass Iorg stark von der Wasserdampfverteilung gesteuert wird.
Diese Studien deuten darauf hin, dass das LES in der Lage ist, beobachtete Bedingungen zu erfassen, was für die Simulation zukünftiger Klimaszenarien relevant ist. Für die Untersuchung des Einflusses einer “elevated moisture layer” und der entsprechenden Reaktion der Grenzschichtwolken wurden zwei Ensemble von Simulationen mit einem 25,6 km2 -Simulationsgebiets mit Verwendung des gleichen Fall-Setups wie bei dem HAMPVergleich erzeugt. Die beiden Simulationssätze umfassen eine Kontrollsimulation und 5 Simulationen mit einer “elevated moisture layer” bei variierender vertikaler Ausdehnung der Feuchtigkeitsschicht. Während das “elevated moisture layer” einen signifikanten Einfluss auf die atmosphärischen Bedingungen in der freien Troposphäre hat, tritt der größte Einfluss in der Grenzschicht in demWolkenanteil auf. Eine Abnahme der Dicke der Wolkenschicht wird mit zunehmender Ausdehnung die “elevated moisture layer” festgestellt. Der Einfluß ist jedoch nicht auf die vertikale Struktur der Wolken beschränkt, sondern es wird auch ein bedeutender Einfluß auf die Strahlungs_üsse in der gesamten unteren Troposphäre deutlich. Zur Bestimmung der Reaktion der Grenzschichtwolken auf ein verändertes Klima, welches hier durch die Schicht mit erhöhter Feuchtigkeit dargestellt wird, wird der Wolkenstrahlungseffekt am Oberrand der Wolkenschicht berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass es eine positive Rückkopplung durch die Grenzschichtwolken als Reaktion auf die “elevated moisture layer” gibt, was darauf hinweist, dass diese Wolken einen wärmenden Effekt auf die Grenzschicht haben. | German |
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