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Das Rätsel niedriger stratiformer Bewölkung über dem südlichen Westafrika

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Abbildung 1: Die Messstation bei Savè in Benin © Sébastien Chastanet

Ein einzigartiger, qualitativ hochwertiger Datensatz wurde während der DACCIWA (Dynamics-Chemistry-Cloud Interactions in West Africa) Feldkampagne mit der mobilen Plattform KITcube im Sommer 2016 auf der Savè-Supersite in Benin in Südwestafrika gewonnen. Eine synergetische Nutzung von In-situ- und Fernerkundungsbeobachtungen ermöglichte die detaillierte Untersuchung des Einflusses von Low-Level-Wolken (LLC) auf die Grenzschichtbedingungen und die Identifizierung von Steuerungsprozessen und Faktoren für die LLC-Bildung.

Während der 7-wöchigen Kampagne wurde eine große Tages- und Nachtvariabilität der vertikalen Ausdehnung und des Einsetzens der LLC beobachtet, einschließlich mehrerer LLC-freier Nächte. Die Bedingungen in der atmosphärischen Grenzschicht über dem südlichen Westafrika während der Monsunzeit werden typischerweise von einem südwestlichen Monsunstrom und einem eingebetteten nächtlichen „low-level jet“ (LLJ) dominiert. In einer vor kurzen erschienenen Publikation wurde ein umfassender Überblick über die Bedingungen im Zusammenhang mit der LLC einschließlich ihrer Entstehung, Erhaltung und des Übergangs zu konvektiven Wolken gegeben [1].

Die ersten detaillierten Beobachtungsanalysen [2,3] des gesamten Tageszyklus der nächtlichen LLC und der Prozesse, die zu ihrer Entstehung, Aufrechterhaltung und Auflösung über Südwestafrika führen, verbessern unser Verständnis darüber, wie und warum sich diese Wolken bilden. Die Analysen zeigen, dass die atmosphärischen Bedingungen während der LLC-Fälle in bis zu fünf verschiedene Phasen eingeteilt werden können, nämlich die stabile, jet, stratus fractus, stratus und konvektive Phase. Jede der nächtlichen Phasen weist typische Bedingungen in der atmosphärischen Grenzschicht auf: Die stabile Phase ist durch eine Bodeninversion gekennzeichnet, die sich nach Sonnenuntergang bildet, wenn die horizontale Windgeschwindigkeit in der Monsunschicht schwach ist. Die Jetphase beginnt mit der Ankunft des „Atlantic inflow“ aus dem Golf von Guinea, wobei ein LLJ-Windprofil und eine differentielle horizontale Kaltluftadvektion charakteristisch sind. Sobald Sättigung erreicht ist, bilden sich LLC entweder als Stratus oder Stratus fractus, was zu einer Verschiebung der LLJ-Achse nach oben führt [3].

Die detaillierte Analyse eines typischen Falles zeigt, dass horizontale Kaltluftadvektion im Zusammenhang mit dem Atlantic inflow die beobachtete starke Abkühlung von -1,2 K pro Stunde maßgeblich verursacht. Diese Abkühlung führt zu einem Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit mit einer Rate von 6 % pro Stunde und damit zur Bildung von LLC. Nach der Bildung der LLC trägt turbulente Durchmischung maßgeblich zur Abkühlung unterhalb der Wolkenbasis bei, während eine starke Strahlungsabkühlung an der Wolkenobergrenze mit einer Rate von ca. -2 K pro Stunde dazu beiträgt, einen vertikal mächtigen Stratus zu erhalten. Am Morgen führt die Erwärmung der Erdoberfläche zur vertikalen Divergenz des sensiblen Wärmestroms und damit zur kontinuierliche Erwärmung der CBL, das Anheben der Wolkenbasis und die Auflösung der LLC [2]. Die Analyse von 11 LLC-Nächten bestätigt die entscheidende Rolle der horizontalen Advektion und turbulenten Durchmischung bei der Abkühlung in der atmosphärischen Grenzschicht vor der LLC-Bildung. Im Durchschnitt werden etwa 50 % der Abkühlung durch horizontale Advektion verursacht und 20 % lassen sich durch turbulentes Mischen erklären [3].

Abbildung 2: Höhenverteilung der Wolkenuntergrenze an der Station Savè basierend auf einem 48-tägigen Datensatz

[1] Kalthoff, N.; Lohou, F.; Brooks, B.; Jegede, G.; Adler, B.; Babić, K.; Dione, C.; Ajao, A.; Amekudzi, L. K.; Aryee, J. N. A.; Ayoola, M.; Bessardon, G.; Danuor, S. K.; Handwerker, J.; Kohler, M.; Lothon, M.; Pedruzo-Bagazgoitia, X.; Smith, V.; Sunmonu, L.; Wieser, A.; Fink, A. H.; Knippertz, P. 2018: An overview of the diurnal cycle of the atmospheric boundary layer during the West African monsoon season: Results from the 2016 observational campaign. Atmospheric Chem. Phys., 18, 2913-2928.

[2] Babić, K.; Adler, B.; Kalthoff, N.; Andersen, H.; Dione, C.; Lohou, F.; Lothon, M.; Pedruzo-Bagazgoitia, X. 2018: The observed diurnal cycle of nocturnal low-level stratus clouds over southern West Africa: a case study. To be submitted to Atmos. Chem. Phys.

[3] Adler, B.; Babić, K.; Kalthoff, N.; Lohou, F.; Lothon, M.; Dione, C.; Pedruzo-Bagazgoitia, X.; Andersen, H. 2018: Nocturnal Low-Level Clouds in the Atmospheric Boundary Layer over Southern West Africa: an Observation-based Analysis of Conditions and Processes. To be submitted to Atmos. Chem. Phys.

[Arbeitsgruppe: Landoberflächen und Grenzschicht]