Forschung im HLRN-Verbund 2011

74Kleine Tropfen, große WirkungGrobstruktursimulationen zum Einfluss der Turbulenz in Wolken auf dasTropfenwachstumS. Raasch, T. Franke, Institut für Meteorologie undKlimatologie, Leibniz Universität HannoverKurzgefasst• Präzise Niederschlagsvorhersagen sind vongroßer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Bedeutung.• Die Qualität der Niederschlagsvorhersage hatsich in den letzten Jahren kaum verbessert.• Das Verständnis der Prozesse, die für die Niederschlagsbildungrelevant sind, muss verbessertwerden und insbesondere auch realistischermodelliert werden.• Dieses Projekt untersucht den Einfluss der Turbulenzin Wolken mit Hilfe einer neuen Methodemit der Wolkentropfen explizit simuliert werden.Die Abschätzung der zukünftigen Wetterentwicklunginteressiert die Menschen seit Jahrtausenden.Dabei ist besonders die Niederschlagsvorhersagevon großer wirtschaftlicher und gesellschaftlicherBedeutung, z.B. für die Land- und Wasserwirtschaft,den Verkehr und den Tourismus. Leiderhat sich die Qualität der Niederschlagsvorhersagein den letzten Jahren trotz vieler Anstrengungenkaum verbessert. Eine wesentliche Ursache dafürist, dass die Niederschlags- und Wolkenbildung zuden komplexesten Prozessen in der Atmosphäreüberhaupt zählt und hinsichtlich vieler Details immernoch unzureichend verstanden ist.Um die Niederschlagsvorhersage zu verbessernmuss deshalb zunächst das Wissen der fürdie Niederschlagsbildung relevanten Prozesse vertieftwerden um diese anschließend realistischermodellieren zu können. Dies betrifft insbesonderedie Vorgänge, die zur Bildung von einzelnenWolkentropfen, Regentropfen und anderen Niederschlagspartikelnführen und unter dem OberbegriffWolkenmikrophysik zusammengefasst werden.Obwohl diese Prozesse im Mikrometer- undMillimeterbereich stattfinden sind sie von großerBedeutung, da ihre kollektive Wirkung die Entwicklungder Wolke entscheidend beeinflusst. Aufder anderen Seite bestimmen aber die turbulentenStrömungen der Wolke und ihrer Umgebung dieatmosphärischen Bedingungen in der Wolke undbeeinflussen dadurch die mikrophysikalischen Prozesse.Um Niederschlagsereignisse realistisch zusimulieren müssen deshalb alle beteiligten Mechanismenberücksichtigt werden, von der Mikrophysikim Millimeterbereich über die turbulenten Strukturender Wolke im Meterbereich bis hin zur Entwicklungder bodennahen Atmosphäre im Kilometerbereich.Diese Tatsache macht es auf absehbareZeit unmöglich alle Mechanismen direkt zu simulieren,selbst mit den derzeit leistungsstärkstenRechnern. Um die Wolken- und Niederschlagsbildungtrotzdem simulieren zu können werden alleProzesse, die nicht direkt simuliert werden können,parameterisiert, d.h. ihr Einfluss in Abhängigkeitvon bekannten Modellgrößen berechnet. Das setztaber voraus, dass die Prozesse bekannt sind.Insbesondere im Bereich der Wolkenmikrophysikist das Wissen über einige Mechanismen nochunzulänglich, z.B. über den Einfluss der Turbulenzauf das Tropfenwachstum. Obwohl bekannt ist,dass das Strömungsfeld in Wolken stark turbulentist, basieren die aktuellen Parameterisierungenauf früheren Analysen für ruhende Umgebungsluft.Bis vor wenigen Jahren standen kaum Methodenzur Verfügung um die komplexen Wechselwirkungenzwischen den Tropfen und der turbulentenStrömung zu untersuchen. Inzwischen wird derEinfluss der Turbulenz mit theoretischen sowie fortschrittlichennumerischen Methoden untersucht.Erste Ergebnisse zeigen einen zum Teil deutlichenEinfluss der Turbulenz auf das Tropfenwachstumeinzelner Tropfen. Allerdings ist es bisher nochnicht gelungen den Einfluss auf die gesamte Entwicklungder Wolke und damit auch auf die Niederschlagsbildungrealistisch zu analysieren. DieseFragestellung wollen wir mit Hilfe einer neuen Methodezur Simulation von Wolken systematisch untersuchen.Dazu verwenden wir ein Grobstruktursimulationsmodell(englisch: large-eddy simulation,LES) und verknüpfen es mit einem Lagrange’schenPartikelmodell. LES-Modelle werden zur Simulationvon turbulenten Strömungen verwendet, die alsÜberlagerung verschieden großer Wirbel angesehenwerden können. Sie haben die Eigenschaft,dass die meiste Energie von den großen Wirbeln(von einigen Metern bis zu einigen hundert Metern)transportiert wird, wohingegen die kleinen Wirbel(im Millimeter- und Zentimeterbereich) energiearmund für die Strömung kaum von Bedeutung sind.Diese Tatsache nutzen LES Modelle und berechnennur die größeren Skalen direkt und parameterisierenden geringen Einfluss der kleinen Skalen.Dadurch sind sie in der Lage Gebietsgrößenvon einigen Kilometern mit einer Auflösung im Meterbereichzu berechnen. Da eine solche Silmulationimmer noch einen extremen RechenbedarfGeowissenschaften