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Abstract:
In der vorliegenden Arbeit ist ein neues Wolkenmikrophysik-Schema (PCI) für stratiforme 'Wolken
entwickelt worden, um die Komponenten des hydrologischen Kreislaufs im globalen
atmosphärischen Zirkulationsmodell ECHAM realistischer darzustellen. Wolkenflüssigwasser
und Wolkeneis wird mit Hilfe separater prognostischer Gleichungen berechnet. Für die Niederschlagsbildung warrner Wolken ist eine Formulierung der Autokonversionsrate gewählt
worden, die neben der Abhäingigkeit vom Flüssigwassergehalt auch die Anzahldichte der Wolkentröpfchen berücksichtigt. Damit eröffnet sich die Möglichkeit der Kopplung von Wolkenmikrophysik und Aerosolphysik. Hier wird die Anzahldichte der Wolkentröpfchen über eine
empirische Beziehung aus der Masse der Sulfat-Aerosole, die aus einer Simulation des Schwefelkreislaufs mit ECHAM gegeben ist, gewonnen. Für die Niederschlagsbildung über die Eisphase wurde eine Parameterisierung der Aggregationsrate gewählt, die zlsätzlich zum
Eiswassergehalt die Größe der Eisteilchen beinhaltet. Der Eisteilchenradius wird als Funktion
des Eiswassergehaltes parameterisiert.
Mit dem neuen Wolkenmikrophysik-Schema wurden Modellsimulationen über mehrere Jahre
durchgeführt und die Ergebnisse mit denen des Standardmodells (CTL) sowie Beobachtungsdaten verglichen. Der Niederschlag aus stratiformen Wolken ist in PCI niedriger als in CTL, da
mehr stratiformer Regen verdunsten und mehr Schnee sublimieren kann. Somit ist der hydrologische Kreislauf verlangsamt. Die stratiforme Niederschlagsabnahme wird durch Zunahme
des konvektiven Niederschlags zum Teil kompensiert. Als Folge der höheren Verdunstungs-
und Sublimationsrate in der Atmosphäre ist die relative Feuchte in der unteren tropischen Troposphäre erhöht, in besserer Úbereinstimmung mit Meßdaten der CBPEx-Meßkampagne.
Durch Einführung einer geographischen Variation der Anzahldichte der Wolkentröpfchen in
PCI enthalten maritime Wolken, insbesondere tropische, in der Regel weniger Wolkentröpfchen als kontinentale. Das führt zu einer geringeren Überschätzung des Flüssigwasserweges
(vertikal integriertes Wolkenflüssigwasser) in den Tropen als in CTL. Allerdings bewirkt die
Kopplung der Anzahldichte der'Wolkentröpfchen an die Masse der SulfarAerosole eine Überschätzung des Flüssigwasserweges vor den Ostküsten Asiens und Nordamerikas. Der Eiswasserweg hat in CTL in den Tropen ein Maximum, während in PCI die höchsten Eiswasserwege
in den Extratropen der jeweiligen Winterhemisphäre simuliert werden und der tropische Eiswasserweg leicht abgenommen hat. Als Folge des reduzierten Flüssig- und Eiswasserweges in
den Tropen sind das kurz- und langwellige ,,cloud forcing" in PCI niedriger als in CTL und damit in besserer Übereinstimmung mit Satellitendaten (ERBE).
Statistische Vergleiche des Anstiegs des'Wolkenwassergehalts mit zunehmender Temperatur
zeigen, daß CTL den beobachteten Anstieg gut simuliert. In PCI führen effiziente Misch- und
Eisphasenprozesse zwischen ca.272 K und 255 K dazu, daß der Wolkenwassergehalt niedriger
ist als beobachtet. Bei niedrigeren Temperaturen ist der mit PCI simulierte Wolkenwassergehalt den Beobachtungsdaten in den Extratropen ähnlicher als der mit CTL simulierte.
In einem Sensitivitätsexperiment mit einer Parameterisierung des Bedeckungsgrades, die
neben der relativen Feuchte auch den 'Wolkenwassergehalt berücksichtigt (PCCX), ist der
Bedeckungsgrad in hohen Breiten in Einklang mit Beobachtungsdaten gegenüber PCI weiter
reduziert. Nachteilig ist, daß die ostpazifische und atlantische innertropische Konvergenzzone
weniger stark ausgeprägt sind als beobachtet. In PCCX werden während El Niño und La Niña-Ereignissen, wie beobachtet, gleich große Anomalien des kurz- und langwelligen cloud forcings simuliert. Ursache hierfür ist die stärkere Verminderung des Bedeckungsgrades niedriger
Wolken im Vergleich zu dem hoher Wolken in den Tropen. In CTL und PCI hingegen überwiegt die Anomalie des kurzwelligen die des langwelligen cloud forcings.
Die Sensitivität des neuen Wolkenmikrophysik-Schemas ist gegenüber einer globalen Erwärmung der Meeresoberflächentemperatur um 4 K untersucht worden. In PCI nimmt der Eiswas-
serweg im wärmeren Klima ab, während er in CTL zunimmt. Ursache hierfür ist die effektive
Niederschlagsbildung über die Eisphase bei hohen Wolkeneis-Mischungsverhältnissen in PCI.
Die Zunahme des Flüssigwasserweges in PCI beträgt nur 60Vo der in CTL, und der Bedekkungsgrad nimmt um zwei Prozentpunkte ab, während er in CTL um einen halben Prozentpunkt zunimmt. Als Folge davon sind die Änderungen des kurz- und langwelligen cloud
forcings in PCI wesentlich geringer als in CTL. So verstärken Wolken die globale Klimasensitivität um24Vo in CTL, aber nur um 10% in PCI.
Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß CTL und PCI die groben Strukturen der beobachteten physikalischen und optischen Eigenschaften der Wolken reproduzieren und dabei meistens
im Rahmen der Meßungenauigkeit liegen. Der Vorteil von PCI liegt darin, daß es die wolkenmikrophysikalischen Prozesse detaillierter beschreibt und daß der Rahmen geschaffen ist, die
Aerosolphysik an die Wolkenphysik zu koppeln. Es kann somit verläßlicher für Abschätzungen der Aerosol-Wolken-'Wechselwirkung und für Abschätzungen der Wolken-Klima-Rückkopplung eines geänderten Klimas dienen.
Abstract:
A new cloud microphysics scheme (PCI) has been developed to yield a more physically based
representation of the components of the atmospheric moisture budget in the general circulation
model ECHAM. This new approach considers cloud water and cloud ice as separate prognostic
variables. The precipitation formation scheme for warm clouds distinguishes between maritime and continental clouds by considering the cloud dropiet number concentration in addition
to the liquid water content. Thus, the framework is provided to couple cloud microphysics and
aerosol physics. Based on several observational data sets, the cloud droplet number concentration is derived from the sulfate aerosol mass concentration as obtained from the sulfur cycle
simulated by ECHAM. The precipitation formation scheme in the ice phase considers the
dependence on the ice crystal size in addition to ice water content. The ice crystal size is
parameterized in terms of ice water content.
Results obtained with the new scheme are compared to the standard cloud scheme in ECHAM
(CTL) and satellite observations and in-situ measurements of physical and radiative cloud
properties. Due to a higher evaporation and sublimation rate of stratiform precipitation in PCI
the hydrological cycle is decelerated. The decrease in stratiform precipitation is partly compensated by an increase in convective precipitation. A consequence of the higher evaporation
and sublimation rate is an increase in relative humidity in the lower tropical troposphere which
corresponds more closely to observations taken during CEPEX. The overestimated liquid
water path over convectively active regions in the tropics in CTL is reduced in PCI because of
the introduction of a geographically varying cloud droplet number concentration. However, the
liquid water path is overestimated east of North America and Southeast Asia due to high levels
of sulfate aerosols and, hence, cloud droplets. The ice water path is 40% higher in PCI compared to CTL. It is higher in the extratropics while it is slightly lower in the tropics. As a result
of the reduction in liquid and ice water path in the tropics in PCI, the shortwave and longwave
cloud forcing is lower than in CTL and, thus, fits better to the satellite observations (ERBE).
The observed increase in cloud water and cloud ice with rising cloud temperature is captured
in both simulations. In PCI the precipitation formation in the ice phase is so efficient above
255 K that cloud water and cloud ice are lower than observed. At lower temperatures in PCI,
cloud water and cloud ice in the extratropics correspond more closely to observations than in
CTL.
In a sensitivity experiment with a new parameterization of cloud cover depending not only on
relative humidity but also on cloud water (PCCX), the overestimated total cloud cover in PCI
is reduced in high latitudes in correlation with observations. However, the intertropical convergence zone in the East Pacific and Atiantic is not as pronounced as observed. Due to the greater
reduction of tropical low level clouds than of high level clouds in PCCX, amplitudes of the
anomalies of shortwave and longwave cloud forcing are of equal size during El Niño and La
Niña events. In CTL and PCI, however, the shortwave cloud forcing anomalies are larger than
the longwave ones.
The performance of the new cloud microphysics scheme is analyzed in terms of its climate
sensitivity due to an increase in sea surface temperatureby 4 K. The main difference between
PCI and CTL is the decrease in ice water path in PCI compared to the increase in ice water
path in CTL in the warmer climate. This is caused by the more rapid increase of the precipita-
tion formation rate in the ice phase with increasing cloud ice in PCI than in CTL. The increase
in liquid water path in PCI is only 60% of that in CTL and cloud cover decreases by roughly
2% while it increases by 0.5% in CTL. Therefore the changes in cloud forcing are much
smaller in PCI than in CTL. Clouds enhance the global climate sensitivity by 24% in CTL but
by only 10% in PCL
To summarize, CTL and PCI capture the overall features of the observed physical and optical
cloud properties, and the simulated results usually lie within the range of observed uncertainty.
The advantage of PCI is that it is describes the cloud microphysical properties in more detail
and that the framework is provided to couple aerosol physics and cloud physics. Therefore
aerosol-cloud-interactions and cloud radiation feedbacks in a changed climate can be estimated more reliably.
