Modellierung von Kondensstreifenzirren Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 04/05

Der Beitrag der Luftfahrt am gesamten anthropogenen Strahlungsantrieb beträgt 3-8 %.
Mit steigendem Luftverkehrsaufkommen um etwa 5 % jährlich wächst dieser Beitrag stetig
an. Kondensstreifenzirren machen den größten Anteil an der Klimawirkung des Luftverkehrs
aus. Die Ergebnisse der bisherigen Studien sind aber noch mit großen Unsicherheiten versehen.
Mit dem Ziel einer realistischeren Darstellung von Kondensstreifenzirren und genaueren
Validierungsmöglichkeiten der Kondensstreifenzirren-Parametrisierung im Klimamodell wird
in dieser Arbeit die Parametrisierung der mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften
von Kondensstreifenzirren, welche einen großen Einfluss auf deren Klimawirksamkeit haben,
verbessert.
Als Vorarbeit musste das im Klimamodell ECHAM5 verwendete Zwei-Momenten-Schema
für natürliche Wolken in Bezug auf die Konsistenz der Mikrophysik mit einem fraktionellen
Bedeckungsgradschema modifiziert werden. Zudem wurde die Nukleationsparametrisierung
um den Einfluss durch präexistierendes Eis erweitert. Die für ECHAM4 entwickelte
Kondensstreifenzirren-Parametrisierung wurde in ECHAM5 übertragen und um das Zwei-
Momenten-Schema erweitert. Neben dem Eiswassergehalt wird damit auch die Eispartikelanzahldichte
im Modell prognostiziert. Folglich kann die mittlere Eispartikelgröße bestimmt
werden. Es stellte sich heraus, dass genaue Informationen über die Ausdehnung des Volumens
der Kondensstreifenzirren wichtig für die Darstellung der mikrophysikalischen und optischen
Eigenschaften der Kondensstreifenzirren sind. Der Einfluss von Diffusion und Sedimentation
auf die Vergrößerung des Volumens der Kondensstreifenzirren wurde im Modell parametrisiert.
Das Ergebnis zeigt eine ähnliche globale Verteilung der Kondensstreifenzirren wie in der
Studie mit ECHAM4. Die Bedeckungsgrade sind jedoch höher, zeigen aber im Vergleich mit
Satellitendaten gute Übereinstimmungen. Die optische Dicke orientiert sich einerseits an der
Höhe des Eiswassergehalts. Beide zeigen Maxima in den Tropen, wo die Menge des kondensierbaren
Wasserdampfs hoch ist. Andererseits orientiert sich die globale Verteilung der
mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften, anders als in früheren Studien, stark an
der Flugverkehrsdichte. Durch häufige Bildung von Eispartikeln in den Hauptfluggebieten
bleibt die Eispartikelanzahldichte groß und die mittlere Partikelgröße klein. Folglich ist die
optische Dicke in diesen Gebieten durch die Berücksichtigung der Eispartikelanzahldichte
höher als in früheren Studien. Wenn man, wie in früheren Studien, das Strahlungschema
mit einer Beschränkung auf größere Eispartikel anwendet, ist der Strahlungsantrieb mit
29 mW/m2 im Vergleich zur vorangegangenen Studie in ECHAM4 etwas geringer.
Emittierte Rußpartikel aus den Flugzeugtriebwerken stellen eine dominierende Quelle der
Eispartikel in Kondensstreifenzirren dar. Die erweiterte Parametrisierung von Kondensstreifenzirren
im Modell ist Voraussetzung für eine Studie über den Einfluss einer Rußemissionsänderung
auf den Strahlungsantrieb von Kondensstreifenzirren. Bei einer angenommenen
Reduzierung der initialen Eispartikelanzahldichte um 80 % werden die Eispartikel größer und
die optische Dicke kleiner. Der Bedeckungsgrad der sichtbaren Kondensstreifenzirren veringert
sich um mehr als die Hälfte, jedoch wurde die Vermutung, dass sich die Lebensdauer
der Kondensstreifenzirren durch die Bildung größerer Eispartikel verkürzt, nicht bestätigt.