Klimaeffekt von Passatwolken – Brückenschlag zwischen Hekto- und Kilometerskalen in Modellen

In einer neuen Studie haben Jule Radtke, Dr. Cathy Hohenegger und Prof. Thorsten Mauritsen die Darstellung und die Klimarückkopplung von Passatwolken in hochauflösenden Simulationen untersucht, wobei die Auflösung von Hektometern (wirbelauflösend) auf Kilometer (konvektionsauflösend) vergrößert wurde. Die Autor*innen fanden heraus, dass die Wolkenrückkopplung positiv ist, wenn sie auf Größenskalen von Kilometern simuliert wird, aber nahe Null, wenn sie auf Größenskalen von Hektometern simuliert wird.

Passatwolken, aus dem Forschungsflugzeug HALO während der Feldkampagne EUREC4A im Januar/Februar 2020 fotografiert (Foto: Jule Radtke).

Flache Passatwolken bedecken einen großen Teil der Erde und sind eine Hauptquelle der Unsicherheit bei Vorhersagen des Klimawandels. Wolken können sowohl eine Erwärmung als auch eine Abkühlung verursachen. Niedrige Wolken kühlen tendenziell ab, indem sie das Sonnenlicht reflektieren. Eine positive Klimarückkopplung bedeutet, dass die Erwärmung verstärkt wird. Die zunehmende Rechenleistung eröffnet Forschenden neue und spannende Möglichkeiten in der Klimamodellierung. Nun sind Modelle, die Konvektion explizit und global simulieren, möglich. Sie werden als konvektionsauflösende Modelle bezeichnet und verwenden Gitterabstände auf der Kilometerskala. In früheren Studien zu Passatwolken und ihrer Reaktion auf ein wärmeres Klima wurden meist Large-Eddy-Simulationen (LES, wirbelauflösend) verwendet, die typischerweise mit Gitterabständen von Hektometern, oder sogar noch feineren Abständen, arbeiten. Sie sind jedoch noch auf kleine Gebiete beschränkt, allerdings werden globale Simulationen dieser Art denkbar. Die Autor*innen der Studie wollen zwischen den Erkenntnissen, die auf diesen Large-Eddy-Simulationen beruhen, und den neuen globalen konvektionsauflösenden Modellen eine Brücke schlagen.

Dazu simulierten sie ein Feld flacher Passatwolken in einem Klima mit heutigen Bedingungen und einem um vier Kelvin wärmeren Klima, während die horizontale Auflösung von 100 m auf 5 km herabgesetzt wird. Mit gröberer Auflösung nimmt der Wolkenanteil deutlich zu und die Wolken reichen höher. Dennoch ist die vertikale Struktur der Wolkenschicht über alle Auflösungen hinweg erstaunlich ähnlich. In einem wärmeren Klima nimmt die Wolkenbedeckung ab, wodurch weniger Sonnenlicht reflektiert wir, was allein eine positive Klimarückkopplung bedeutet. Ihre Stärke entspricht dem Grad der Wolkenbedeckung und ist daher bei gröberen Auflösungen höher. Zudem werden die Wolken jedoch dicker, wodurch mehr Sonnenlicht reflektiert wird. Dies wirkt dem Effekt der Abnahme der Wolkenbedeckung entgegen, ist aber weitgehend unabhängig von der Auflösung. Daher konvergiert die Klimarückkopplung flacher Passatwolken mit höherer Auflösung gegen Null. Sofern diese Ergebnisse auf andere Modelle übertragbar sind, deuten sie darauf hin, dass konvektionsauflösende Modelle, die mit einem ähnlichen Wolkenschema konfiguriert sind, die Klimarückkopplung der Passatwind-Kumuluswolken überschätzen könnten.

 

Originalveröffentlichung:
Radtke, J., Mauritsen, T., and Hohenegger, C.: Shallow Cumulus Cloud Feedback in Large Eddy Simulations – Bridging the Gap to Storm Resolving Models, Atmos. Chem. Phys. Discuss. [preprint], doi.org/10.5194/acp-2020-1160, in review, 2020.

Kontakt:

Jule Radtke
Center for Earth System Research and Sustainability (CEN), Universität Hamburg,
und International Max Planck Research School on Earth System Modelling, Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: jule.radtke@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Cathy Hohenegger
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: cathy.hohenegger@we dont want spammpimet.mpg.de

Prof. Dr. Thorsten Mauritsen
Department of Meteorology, Universität Stockholm
E-Mail: thorsten.mauritsen@we dont want spammisu.su.se