Warum sind flache Cumulus-Wolken über Land größer als über dem Ozean?

Credit: Traute Crueger, MPI-M

In einer neuen Studie, die im Journal of Atmospheric Sciences erschienen ist, identifizieren Dr. Mirjana Sakradzija und Dr. Cathy Hohenegger, beide Wissenschaftlerinnen in der Gruppe "Wolken und konvektive Prozesse" am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) in der Abteilung "Atmosphäre im Erdsystem", Schlüsselprozesse, die die Größe von Wolken beeinflussen. Die Fragen, warum Wolken unter verschiedenen Bedingungen größer oder kleiner sind, und wie das den vertikalen Transport in einer konvektiven Region beeinflusst, beschäftigen Wissenschaftler schon lange. Das Beantworten dieser Fragen ist ein wichtiger Schritt, um die physikalischen Prozesse zu verstehen, die die Wolkenbedeckung und die räumliche und zeitliche Variabilität der Konvektion bestimmen.

In ihrer Studie wurde ein Large-Eddy-Modell mit einem Gitterabstand von 25 m verwendet, um zwei typische Fälle von flacher Konvektion zu simulieren. Der eine repräsentiert Bedingungen, wie sie über dem tropischen Ozean vorzufinden sind. Der andere stellt einen Sommertag mit Bewölkung über dem Festland mittlerer Breiten dar. In beiden Fällen entwickeln die Wolken verschiedene Eigenschaften. Im Vergleich zu den Bedingungen über dem Ozean decken Wolken bei den kontinentalen Bedingungen größere Flächen ab und entwickeln im Durchschnitt und in den Extremen höhere vertikale Masseflüsse. Das Ergebnis der Sensitivitätsexperimente, die zur Erklärung dieser Unterschiede durchgeführt wurden, ist überraschend: Die Verteilung der Wolken-Masseflüsse wird durch die Aufteilung der Oberflächenwärmeflüsse in fühlbare und latente Wärme gesteuert, anstatt durch die Größenordnung der Oberflächenflüsse, ihre Variation über den Tageszyklus, oder den Organisationsgrad im Wolkenfeld.

Die nächste Frage stellt sich von allein: Warum ist die Aufteilung der Oberflächenwärmeflüsse in fühlbare und latente Wärme gekennzeichnet durch das Verhältnis dieser Flüsse, das so genannte Bowen-Verhältnis, dem wichtigsten Steuerungsparameter in diesen Simulationen? Das Bowen-Verhältnis steuert den Wirkungsgrad des feucht-konvektiven Wärmekreislaufs in der Atmosphäre und bestimmt somit den Anteil des Oberflächenflusses, der in mechanische Arbeit der konvektiven Umwälzung umgewandelt werden kann. Dies bestimmt den konvektiven Massefluss einzelner Wolken und legt die Form ihrer Verteilung fest. Die Ergebnisse erklären nicht nur die verschiedenen Formen der Wolkengrößenverteilung, sondern sie können auch verwendet werden, um diese Verteilung in Modellen mit gröberer Auflösung zu parametrisieren.

Die Forschung wurde im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen DWD und MPI-M in Form der Hans-Ertel-Forschungsgruppe (HErZ) durchgeführt.

Originalveröffentlichung:
Sakradzija, M. and C. Hohenegger, 2017: What determines the distribution of shallow convective mass flux through cloud base? J. Atmos. Sci., doi.org/10.1175/JAS-D-16-0326.1

Kontakt:

Dr. Mirjana Sakradzija
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 266
E-Mail: mirjana.sakradzija@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Cathy Hohenegger
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: +49 (0) 40 41173 302
E-Mail: cathy.hohenegger@we dont want spammpimet.mpg.de