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Schritt für Schritt

Abbildung: Karten des Regens am Boden (oben) und des Gesamtniederschlags (unten) in Abhängigkeit des Modellzeitschritts und der Aerosolkonzentration (CCN). Links wurde sequentielles Splitting verwendet, rechts paralleles Splitting.

In der Arbeitsgruppe “Wolkenphysik” nutzen wir Computersimulationen, um zu verstehen, wie Gewitter Starkregen und Hagel produzieren – mit einem Flugzeug mitten in Gewitter zu fliegen, um dort Messungen zu machen, wäre viel zu gefährlich. Wir nutzen diese Simulationen auch, um zu verstehen, welche Eigenschaften der Atmosphäre (z. B. Temperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Aerosolkonzentration) Gewitter beeinflussen. Besonders interessiert uns, wie aus Wasserdampf Tröpfchen und aus diesen große Hagelkörner werden. Allerdings laufen diese Vorgänge auf so kleinen Skalen ab, dass die Wechselwirkungen zwischen Wasserdampf, Tropfen und Hagel nicht explizit berechnet werden können. So sind Regentropfen ungefähr eine Million Mal kleiner als eine Gewitterwolke, und es gibt zu viele Tropfen, um jeden einzelnen individuell nachzuverfolgen. Daher werden diese wichtigen, sogenannten „mikrophysikalischen“ Prozesse parameterisiert, d. h. die physikalischen Gleichungen werden mit statistischen Annahmen über die Anzahl und Größen der Tropfen verbunden.

In einer neuen Studie [Link zum Paper: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018MS001418] haben wir entdeckt, dass die parameterisierte Physik in Wolken überraschend stark abhängiger von der Art der Gleichungslösung sind. Dieses wurde sichtbar, als wir den Zeitschritt, mit dem das Modell rechnet, änderten, und dabei sehr große Änderungen an der simulierten Gewitterzelle entdeckten. Der simulierte Niederschlag reduzierte sich um ca. 50%, wenn der Zeitschritt von 1 auf 15 Sekunden geändert wurde. Außerdem wurden die Niederschlagsmaxima deutlich kleiner, und die Sensitivität auf die Aerosolkonzentration (CCN) verschwand (siehe linker Teil von Abbildung 1).

Wir haben entdeckt, dass der Grund für diese unschönen Effekte in der Reihenfolge der Berechnungen im Modell lag. In den Simulationen werden die Prozesse einzeln nacheinander berechnet: er die Luftbewegung, dann die Mikrophysik. Das bedeutet, dass die mikrophysikalischen Prozesse dann von der Änderung in den Umgebungsbedingungen durch die Luftbewegung abhängen, und die Größe dieser Änderung wird durch den Zeitschritt bestimmt.

Hierin liegt das Problem. Die mikrophysikalischen Berechnungen ändern sich deutlich, und zwar nichtlinear, wenn sich die Temperatur und Luftfeuchte ändern. Weil längere Zeitschritte zu größeren Änderungen in diesen Umgebungsbedingungen führen, muss die Mikrophysik dann auf diese größeren Änderungen reagieren. Diese Reaktion ist bei großen Änderungen anders als wenn die gleichen Temperatur- und Feuchteänderungen auf kleine Intervalle aufgeteilt werden. Der Grund dafür liegt in den Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Tropfen und Eispartikeln in Wolken. Insgesamt ist die Niederschlagsbildung weniger effizient, wenn der Zeitschritt erhöht wird.

Um dieses Problem zu vermeiden, haben wir damit experimentiert, die Berechnungen in verschiedene Reihenfolgen zu bringen. Die beste Lösung, die wir gefunden haben, ist, die Luftbewegung und die mikrophysikalischen Prozesse gleichzeitig zu berechnen („paralleles Splitting“ der Prozesse). Dadurch sind die Ergebnisse sehr viel weniger abhängig von der Zeitschrittlänge als mit dem „sequentiellen Splitting“, welches zuvor benutzt wurde. Mit parallelem Splitting produziert die simulierte Gewitterzelle mit allen Zeitschritten zwischen 1 und 15 Sekunden große Niederschlagsmengen, und sowohl die Regenmaxima als auch die Sensitivität auf Aerosolkonzentrationen sind nun für verschiedene Zeitschritte ähnlich (siehe Abbildung 1, rechter Teil).

Diese eher technische Änderung im Modell erlaubt genauere Simulationen von Gewittern und hilft uns außerdem, den Einfluss von Umgebungsbedingung auf Stürme besser vorherzusagen. Dadurch, dass die Prozesse nun bei größeren Zeitschritten korrekt dargestellt werden, sind die Simulationen außerdem schneller. Aktuell arbeiten wir daran zu untersuchen, welche anderen Computermodelle ähnliche Probleme haben und auch durch die Änderung der Reihenfolge der berechneten Prozesse verbessert werden könnten.

[Arbeitsgruppe: Wolkenphysik]
Kontaktperson: Prof. Dr. C. Hoose
22.03.2019