METSWN : Strahlung, Wolken, Niederschlag Master „Physik der Erde und der Atmosphäre“ 5 Pflichtmodule METPHAT Physik der Atmosphäre METSWN Strahlung, Wolken, Niederschlag METKLIM Phys. Klimatologie METDYN Dynamik der Atmosphäre METFPR Fortgeschrittenenpraktikum Die Physikalische Meteorologie versteht sich als Teilgebiet der Meteorologie, welches die physikalischen Prozesse der Atmosphäre wie Wolkenphysik, Strahlung, optische Phänomene, Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen und Austauschprozesse der Atmosphäre mit der Land- oder Meeresoberfläche untersucht. METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Physikalische Meteorologie METSWN METGRCHEM Die Physikalische Meteorologie versteht sich als Teilgebiet der Meteorologie, welches die physikalischen Prozesse der Atmosphäre wie Wolkenphysik Strahlung optische Phänomene Ausbreitung von elektro- magnetischen Wellen Austauschprozesse der Atmosphäre mit der Land-‘ oder Meeresoberfläche untersucht. Die Physikalische Meteorologie versteht sich als Teilgebiet der Meteorologie, welches die physikalischen Prozesse der Atmosphäre wie Wolkenphysik, Strahlung, optische Phänomene, Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen und Austauschprozesse der Atmosphäre mit der Land- oder Meeresoberfläche untersucht. METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Wolkenphysik und Niederschlag Relevanz: Wechselwirkungen von Wolken mit Strahlung stellen die größte Unsicherheit in heutigen Klimamodellen dar Niederschlag hat große sozio-ökonomische Einflüsse Forschung: HD(CP)2: „High Definition Clouds and Precipitation for Climate Prediction“ EUCLIPSE - European Union Cloud Intercomparison, Process Study & Evaluation Project „Precipitation Measurement Missions“ (NASA): TRMM, GPM METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Strahlung Relevanz: Antrieb für atmosphärische Zirkulation Wechselwirkungen von Wolken mit Strahlung stellen die größte Unsicherheit in heutigen Klimamodellen dar  sub-skalige Effekte  3D Strahlungseffekte „Strahlungsmodule“ stellen den rechnerisch aufwändigsten Teil von Vorhersagemodellen dar Forschung: Fernerkundungssensoren ermöglichen neuen Einblick in Atmosphäre  globale Strahlungsbilanz Strahlungswechselwirkungen: Charakteristika des spektralen Absorptions- und Streuverhaltens von Gasen, Aerosolen und Hydrometeoren sind ungenügend bekannt METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Organisatorisches Dozenten: Susanne Crewell (Raum 325, crewell@meteo.uni-koeln.de) Ulrich Löhnert (Raum 308, loehnert@meteo.uni-koeln.de) Emiliano Orlandi (Raum 328, eorlandi@meteo.uni-koeln.de) Max Maahn (Raum 305, mmaahn@meteo.uni-koeln.de) 6 ECTS Punkte entsprechend 180 Stunden Arbeitszeit Freitags, 9 – 13 Uhr Vorlesung Raum 324, Übung Raum 324 oder 304 Übungszettel Abgabe jeweils bis Donnerstag 12:00 Computerübungen zu - Größenverteilungen - Strahlungstransport - Heizraten Projektarbeit und abschließende Vorträge zu Themen, die Wolken und Strahlung verbinden METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Organisatorisches 1 12. Oktober Einführung + Thermodynamik (UL) 2 Tropfennukleation 3 2. November Diffusionswachstum 4 9. November Koagulationswachstum 5 16. November Eisbildung und –wachstum 6 23. November Niederschlag und Gewitter 7 30. November Messung und Modellierung 8 7. Dezember Strahlung – Grundlagen 9 14. Dezember Reflektion / Thermische Emission 10 21. Dezember Transmission / Gasabsorption 11 11. Januar Erwärmungsraten 12 18. Januar Strahlungstransport und Präsentation Projekte 13 25. Januar Streuung und Präsentation Projekte 14 31. Januar Ersatztermin METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Literatur (Wolken) $71.95 Rogers, R. R. & M. K. Yau, 1989: "A short course in cloud physics", 3rd Edition, Butterworth-Heinemann, Int. Series in Nat. Philosophy, Vol. 113. Pruppacher, H. R. und J. D. Klett, 1997: „Microphysics of cloud and precipitation“ Atmospheric and Oceanographic Science Libary, Vol. 18, Kluwer Academic Publishers, Houze, R. A., 1993: Cloud Dynamics, Int. Geophys. Series, 53. Young, K. C., 1993: Microphysical Processes in Clouds. PROMET: - „Wolkenphysik und Wolkendynamik I und II“ (1993) - „Fernmessung von Wasserdampf und Wolken I“ (2011) $282.00   $66.32   METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Literatur (Strahlung) Petty, G., 2006: “A first course in Atmospheric Radiation”, 2nd Edition, Sundog Publishing, 458 S., $ 36,- http://www.sundogpublishing.com/AtmosRad/ Bohren, Craig F. , und Eugene Clothiaux, 2006: „Fundamentals of Atmospheric Radiation: An Introduction with 400 Problems“, Wiley-VCH, 1st edition, 490 Seiten. Liou, K.-N.,1992: „An Introduction to Atmospheric Radiation, Volume 84, Second Edition Liou, K.-N.,1992: „Radiation and cloud processes in the atmosphere“. Oxford Univ. Press, Oxford, 487 S.,. Goody, R.M. and Y.L. Young, 1995: „Atmospheric Radiation“. Oxford Univ. Press., 2nd Edition, 544 Seiten METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Wolkenphysik: Gliederung Einführung - Bedeutung und Definition von Wolken - Beobachtungen von Wolkenparametern - Größenverteilungen von Wolkenpartikeln - Thermodynamik Wasserwolken - Bildung & Wachstum von Wolkentropfen - Wachstum von Tropfenpopulationen Eiswolken - Nukleation - Wachstum von Eiskristallen Niederschlag - warmer und kalter Niederschlag - Radarmeteorologie Messung von Wolkenparametern Modellierung von Wolken - spektrale Modelle - Wolkenparameterisierungen in NWP und Klimamodellen METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Relevante Forschungsrichtungen visuelle Wolkenbeobachtung rein deskriptiv, Problem der Quantifizierung Karlsruher Wolkenatlas http://www.wolkenatlas.de Wolkenmikrophysik Bildung von Wolken- und Niederschlagspartikeln, Phasenumwandlungen Wolkenoptik und Radarmeteorologie Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung Wolkendynamik Makrophysikalische Wolkenprozesse Wolkenelektrizität Elektr. Prozesse Wichtig für die Entstehung von Gewittern Chemie der Atmosphäre Polare stratosphärische Wolken, Entfernung von Schadstoffen Wasserdampffluss kann auch negativ sein, z.B. bei Tau, 512 mal 10^12 Tonnen pro Jahr METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Einige Fragen der Wolkenphysik Wie können wir Wolken klassifizieren? - Früher Klassifikation nach Erscheinungsbild - Heute moderne Fernerkundungsverfahren Welche Mechanismen kontrollieren die Entstehung von Wolken? - Bedeutung von Aerosoleigenschaften - Welche Rolle spielt die Wolkenchemie (Schadstoffe)? Wie entsteht Niederschlag (in seinen verschiedenen Formen)? Wie können wir die zeitliche und räumliche Entwicklung von Wolken und Niederschlag voraussagen? - Einsetzen von Niederschlag - unterkühltes Wasser - Kann das Auftreten von Blitzen zur Niederschlagsvorhersage genutzt werden? Wasserdampffluss kann auch negativ sein, z.B. bei Tau, 512 mal 10^12 Tonnen pro Jahr METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Wolken sind extrem komplex! Von Hydrometeoren über Einzelwolken zum globalen System und Wolkenfelder March 2000 – February 2003 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Skalenproblem Mikrophysikalische Wolkenmodelle (1D) Operationelle Schnee Turbulenz Cumulus Stratus Eiskristalle 0.1 m 1.0 100 mm 10 m km Aerosole Regentropfen Wolkentropfen Mikrophysikalische Wolkenmodelle (1D) Wechselwirkung der unterschiedlichen Skalen, die bis zu 14 Größen-ordnungen umfassen, komplizieren exakte Beschreibung Operationelle Wettervorhersagemo-delle der Mesoskala (3D) Die Abbildung zeigt, welches Größenwachstum erforderlich ist, um aus einem Kondensationskern einen Wolkentropfen und schließlich einen Regentropfen zu erzeugen. Der typische Radius eines Kondensationskerns ist 0.1 µm und der Radius eines kleinen Regentropfes ist 1000 µm. Während des Wachstums muß sich daher der Radius im Verhältnis 1:104 vergrößern. Die Masse ist proportional der dritten Potenz des Radius, so daß eine Massenvergrößerung von 1:1012 bei der Umwandlung eines Kondensationskernes zu einem Regentropfen auftreten muß. Bei diesen Änderungen der Größenordnung ist verständlich, daß die Wachstumsgeschwindigkeit eine sehr große Rolle spielt. Klimamodelle (3D) METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Woraus bestehen Wolken? Wolken bestehen aus schwebendenen Partikeln unterschiedlicher Größe Form Zusammensetzung © M. Quante METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Hydrometeore Allgemein: Verschiedene Kategorien von Wolken- und Niederschlagsteilchen z.B. Wolkentropfen, Eiskristalle, Hagel, Graupel, Schnee, Regen WMO 1975: Hydrometeore sind Ansammlungen von flüssigen oder gefrorenen Wasserteilchen, die in der Luft schweben oder fallen, durch den Wind von der Oberfläche aufgewirbelt sind, oder sich an Gegenständen am Boden bzw. in der Luft ansetzen. WMO 1990: Vier Arten atmosphärischer Meteore: - Hydrometeore - Lithometeore (Dunst, Staub, Sand, Rauch, ..) - Photometeore (Halos, Regenboden, Glorien,..) - Elektrometeore (Blitz, Donner) Häckel 1999: ... Wolken haben eine ausgeprägte Dynamik, während sie sich auf der einen Seite ständig neu bilden, lösen sie sich auf der anderen Seite wieder auf. Eine Wolke ist also kein Gegenstand sondern ein Zustand ... METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Mikrophysikalische Wolkenparameter Wolken sind sichtbare, in der Luft schwebende Ansammlung von Kondensationsprodukten des Wasserdampfs (Hydrometeoren), d.h. von kleinen Wassertropfen ( ~10 m), Eiskristallen oder beiden gemeinsam Größe der Hydrometeore Ensemble der Partikel wird mit der Tropfengrößenverteilung N(D) [m-4] beschrieben Form - Flüssigwasserwolken haben kugelförmige Tropfen (Radius) - Niederschlagsteilchen näherungsweise Ellipsoide (Radius, Aspektverhältnis) - Eisteilchen können als Platten, Säulen, Dendriten, usw. ... auftreten - Partikel in Mischphase können sehr komplexe Form annehmen Phase - flüssiges Wasser, Eis, Mischphase Chemische Zusammensetzung METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Tropfengrößen D - Durchmesser n - Tropfenkonzentration Fragen: - Wieviele Wolkentropfen machen einen Regentropfen? - Welche Radius- bzw. Massenwachstumsgeschwindigkeit muss herrschen, damit aus einem Wolkentropfen in 20 min ein Regentropfen entsteht? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Typische Werte von Tropfengrößen Durchmesser [μm] Konzentration [liter-1] Fallgeschwindig- keit [cm s-1] Kondensationskern 0.1 106 0.0001 Wolkentropfen 10 1 großer Wolkentropfen 50 103 27 Regentropfen 1000 650 Hagelkorn < 10 000 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Tropfengrößenverteilung N(r): Anzahl an Tropfen pro Volumen und Radiuseinheit Flugzeugmessungen mittels FSSP Forward scattering spectrometer probe idealisierte Verteilungen (hier für Stratus) a = 83.1 cm-3 μm b = 2.43 μm-1 α = 6.1 γ = 1 meist wird die Vertikalgeschwindigkeit der Luft vernachlässigt METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Momente des Tropfenspektrums N 0. Moment Tropfenkonzentration LWC 3. Moment Flüssigwassergehalt R ~3.5 Moment Niederschlagsrate (Massenfluss) z 6. Moment Radarreflektivitätsfaktor meist wird die Vertikalgeschwindigkeit der Luft vernachlässigt Frage: Welche Werte haben N, LWC und z für das idealisierte Tropfenspektrum für Stratus? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Eiswolken Miloshevich et al. [2001] Altitude profiles of RH (with respect to liquid water) measured simultaneously by the NOAA cryogenic frostpoint hygrometer and two Vaisala RS80-A radiosondes in a cirrus cloud on 10 Nov 1994 near Boulder, Colorado. Superimposed ice crystals measured simultaneously by the NCAR balloon-borne Formvar replicator show the cloud microphysical properties. An ice-saturation curve (RHi) and several reference temperatures are also shown. Miloshevich et al. [2001] METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Einschub: Wiederholung Thermodynamik ... Altitude profiles of RH (with respect to liquid water) measured simultaneously by the NOAA cryogenic frostpoint hygrometer and two Vaisala RS80-A radiosondes in a cirrus cloud on 10 Nov 1994 near Boulder, Colorado. Superimposed ice crystals measured simultaneously by the NCAR balloon-borne Formvar replicator show the cloud microphysical properties. An ice-saturation curve (RHi) and several reference temperatures are also shown. METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Wolkenbeobachtungen – Satellit International Satellite Cloud Climatology Product (ISCCP) http://isccp.giss.nasa.gov METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Globale Wolkenbeobachtungen NASA Wolkenbedeckungsgrad ist global ca. 60 % NASA METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Wolkenbeobachtungen vom Boden Kombination verschiedener Messsysteme (Radar, Lidar, Mikrowelle) und Modellvorhersagen Wasserdampffluss kann auch negativ sein, z.B. bei Tau, 512 mal 10^12 Tonnen pro Jahr Lindenberg, 12. August 2011 www.cloud-net.org METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Von der “Realität” zur Modellierung von Wolken in der Wettervorhersage Wolken- und Niederschlagsparameter haben niedrigste Vorhersagequalität Mikrophysik zu komplex für exakte Lösungen Räumliche Skala ist klein gegenüber der Auflösung von Wettervorher- sagemodellen (Δx ~ 1-10 km)  Parametrisierungen notwendig Beobachtung von Wolkenparametern stellt ein komplexes Problem dar Datenassimilation von Wolken und Niederschlag stehen erst am Anfang Wie werden Wolken in Modellen beschrieben? Aber alle Modelle so eingestellt, dass sie auf den selben Strahlungsfluß am Oberrand der Atmosphäre kommen. METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Bedeutung von Wolken im Klimasystem Obwohl nur ca. 1 % des Wassers in der Atmosphäre in Form von Wolken existiert sind Wolken sind extrem wirkungsvolle Strahlungsregulatoren Wolken immer Ausgangspunkt für Niederschlag Wichtige Komponente in Wasser- und Energiekreislauf der Erde Komplexe Rückkopplungseffekte mehr Schneefall  Erhöhung der Bodenalbedo  Reduktion der Absorption solarer Strahlung mehr Niederschlag  mehr Vegetationswachstum  dunklere Boden  höhere Absorption aber nur 10-5 des gesamten Wassers der Erde sind in Atmosphäre METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Planetare Albedo Absorption Transmission Streuung Reflektion METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Strahlungseffekte von Wolken: quantitativ Im kurzwelligen Spektralbereich kühlen Wolken das Klimasystem durch ihre hohe Reflektion solarer Strahlung  Albedoeffekt Im langwelligen Spektralbereich tragen Wolken zum Treibhauseffekt bei, da sie weniger thermische Energie in den Weltraum abstrahlen als die Erdoberfläche. Albedoeffekt wirkt nur tagsüber; aber Tagesgang der Bewölkung unsicher, lokal können Wolken sowohl können Wolken sowohl erwärmen (hohe Cirren) aner auch abkühlen (niedrigere Bewölkung) Im globalen Mittel kühlen Wolken die Atmosphäre um ca. 20 Wm-2 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Strahlungsbilanz der Erde/Atmosphäre Strahlung beeinflusst Wetter und Klima wirksamer je länger die Zeitskala selbst auf der kleinen Skala (Initiierung von Konvektion, Tau Bildung ...) In weather, the most important form of energy is thermal, or heat, energy. KIEHL J., and K. TRENBERTH, 1997: Earth´s annual global mean budget. Bull. Am. Met. Soc., 78, 197-208. Atmosphäre verliert im Mittel ~100 Wm-2 (Strahlungsdefizit) größtenteils balanciert durch Fluss latenter Wärme atmosphärische Verluste sind Maß für den globalen Wasserkreislauf METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Wasserkreislauf Wasser - die Schlüsselkomponente des Klimasystems Wasser verknüpft physikalische, biologische und sozio-ökonomische Systeme physikalische Besonderheiten - drei Phasen (Eis, Wasser, Wasserdampf) - fünf Kompartimente Zeitliche und räumliche Änderungen der Austauschprozesse Niederschlag Wind Eis Biosphäre Global: P - E = 0 (Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Biosphäre, Pedo-/Lithosphäre) Abfluss E - Verdunstung [kg m-2 s-1 ] P - Niederschlag [kg m-2 s-1 ] Verdunstung Bodenfeuchte Transporte Speicherung METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Energiekreislauf Energieumsatz bei Phasenübergängen  Kopplung von Wasser- und Energiekreislauf Wolken wirken auf großräumige atmosphärische Dynamik durch Transport latenter Wärme (meridionaler Gradient) wichtige Komponente in Hadley- und Monsun-Zirkulation Vertikaltransporte in konvektiven Wolken Kumuluskonvektion (Wasserdampf als Treibstoff, Wolken als Motor) Eis/Schnee bewirken starke Erhöhung der Albedo QL QS H QS - Nettostrahlung solar [W m-2] QL - Nettostrahlung terrestrisch [W m-2] H - Fluss fühlbarer Wärme [W m-2] LE - Fluss latenter Wärme [W m-2] B - Bodenwärmestrom [W m-2] LE B QS - QL - H - LE - B = 0 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Kopplung Energie- und Wasserkreislauf E - Verdunstung [kg m-2 s-1 ] w - Dichte von Wasser (103 kg m-3) L - Verdunstungswärme (~2.5 ·106 J kg-1) LE - Fluss latenter Wärme [W m-2] LE = L · E Globales Mittel: - 32 Milligramm pro Quadratmeter und Sekunde - entsprechend 80 Watt pro Quadratmeter - entsprechend 1000 mm pro Jahr - entsprechend 107 Kubikmeter pro Sekunde Wasserdampffluss kann auch negativ sein, z.B. bei Tau Golfstrom transportiert bis zu 150 Sverdrup= 150·106 km3 s-1 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Modellierung von Wolken im Klimasystem Vergleich von 14 Klimamodellen: Vertikal integrierter Wolkenwassergehalt 0.25 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) „ ...the most urgent scientific problems requiring attention to determine the rate and magnitude of climate change and sea level rise are the factors controlling the distribution of clouds and their radiative characteristics ...“ 0.20 0.15 LWP / kg m-2 0.10 0.05 Aber alle Modelle so eingestellt, dass sie auf den selben Strahlungsfluß am Oberrand der Atmosphäre kommen. 90N 80 60 40 20 -20 -40 -60 -80 90S Geographische Breite Atmospheric Model Intercomparison (AMIP), Gates et. al. 1999 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Sensitivität des Klimasystems Wirkung von Wolken auf den Strahlungshaushalt der Troposphäre bei CO2 Verdopplung CO2 Verdopplung bewirkt ca. 3-5 W m-2 Aber alle Modelle so eingestellt, dass sie auf den selben Strahlungsfluß am Oberrand der Atmosphäre kommen. IPCC 2001, Seite 430 nach LeTreut und McAveny, 2000 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

IPCC, 4th assessment METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Zahlenspiele: Flüssigwasserwolke Wieviel Energie hat eine Wolke? Flüssigwassergehalt (LWC) = 0.5 g m-3 Horizontale/Vertikale Erstreckung 5000 m/4000 m Wassergehalt = 50 000 000 kg = 50 000 t Kondensationsenergie = 5·107 kg · 2.5 ·106 J kg-1 = 1.25 ·1013 J Vergleich: 1) Badewanne hat 2 m3 = 2 Tonnen 25 000 Füllungen 2) Nagasaki Bombe (22 kT TNT; 1 kT TNT = 4.2 ·1012 J ) → 9.4 ·1013 J Energie in der Flüssigphase der Wolke entspricht in etwa einer Nagasaki Bombe Stark quellende Kumulus Wolke, ca 600 Jahre baden METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Zahlenspiele: Flüssigwasserwolke Schönwetter-Cumulus Kumuluswolke entsteht durch Warmluftblase am Lifting Condensation Level Halbkugel mit Durchmesser 1 km Flüssigwassergehalt (LWC) = 1 g m-3 Volumen = 2.62 ·108 m3 Wasservolumen = 250 m3 Bodenfläche von der das Wasser verdunstet: 785 000 m3 Wassersäule von 0.3 mm muss verdunstet werden Stark quellende Kumulus Wolke, ca 600 Jahre bade Frage: Angenommen die Wolke ist in 900 hPa, 10 Grad warm, und hat 100% relative Feuchte, wie ist das Verhältnis von Wasserdampf zu Wolkenwasser? METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13