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Bestimmung der Wasser- und Eismasse hochreichender konvektiver Wolken anhand von Radardaten, Modellergebnissen und konzeptionellen Betrachtungen

Bestimmung der Wasser- und Eismasse hochreichender konvektiver Wolken anhand von Radardaten, Modellergebnissen und konzeptionellen Betrachtungen
type:Thesis
tutor:Beheng, K. D.
person in charge:Bertram, Ingo
links:Full text (PDF)
Diese Dissertation beschäftigt sich in erster Linie mit der Bestimmung der Masse (Flüssigwasser und Eis) in hochreichenden konvektiven Wolken, basierend auf Modellergebnissen und Radardaten. Das Ziel ist, einen Beitrag zur Verbesserung von Konvektionsparametrisierungen
zu leisten.
Mit einem wolkenauflösenden, 3-dimensionalen Modell werden 30 konvektive Zellen simuliert, wobei zur Initialisierung verschiedene, für den Radarstandort in Südwestdeutschland typische Umgebungsbedingungen vorgegeben werden. Die Entwicklung der Niederschlagsteilchen wird im Modell über eine Zwei-Variablen-Parametrisierung beschrieben, welche neben der Massendichte auch die Anzahldichte fünf verschiedener Hydrometeorklassen
als Modellvariable verwendet. Anhand dieser Information lassen sich innerhalb des gesamten Volumens der Gewitterwolken neben der Massendichte aller Hydrometeore (W) auch Radarreflektivitäten (Z) ausrechnen. Damit sind die numerischen Ergebnisse zur Aufstellung von Z/W-Beziehungen geeignet. Unter Auswertung aller 30 Simulationen werden zwei verallgemeinerte Z/W-Beziehungen für Gewitterwolken über Südwestdeutschland aufgestellt. Deren eine ist für Wolkenbereiche gültig, die eine Mischung aus Eispartikeln und unterkühlten Tropfen enthalten, die andere für solche, in denen lediglich flüssige Niederschlagspartikel vorkommen. Diese beiden, auf den Daten des numerischen Modells basierenden Z/W-Beziehungen werden verwendet, um die
Gesamtwolkenmasse 12 beobachteter Gewitter zu berechnen. Außerdem wird die Masse innerhalb der 12 Cumulonimben mit einer von den Z/W-Beziehungen unabhängigen Methode abgeschätzt. Sie besteht in einem 1-dimensionalen Plume-Modell, mit welchem sich zur Kondensatabschätzung die adiabatische Hebung einer der Grenzschicht entstammenden Luftmasse unter Berücksichtigung von seitlichem Entrainment berechnen
läßt. Die beiden Methoden der Massenberechnung führen zu vergleichbaren Ergebnissen. Neben der Wolkenmasse wird die Masse des den Boden erreichenden Niederschlags bestimmt. Das Ergebnis der Massenabschätzungen ist, daß eine typische Gewitterzelle einen Mindestmassenumsatz (maximale Kondensatmassen zuzüglich des zu dieser Zeit schon ausgefallenen Niederschlags) von 106 bis 107 Tonnen hat. Davon erreichen bis zur Auflösung der Gewitterzellen etwa 40% den Erdboden als Niederschlag. In einer Einzelfallstudie wird der vertikale Massenfluß der Luft, summiert über das Aufwindgebiet eines Hagelgewitters während der stärksten Entwicklung, mit 109 kg/s abgeschätzt. In diesem Zusammenhang werden Messungen der Radialwindkomponente ausgewertet.