Cloud ice particle nucleation and atmospheric ice supersaturation in numerical weather prediction models

Köhler, Carmen (2013): Cloud ice particle nucleation and atmospheric ice supersaturation in numerical weather prediction models, Nukleation von Wolkeneis und atmosphärische Eisübersättigung in numerischen Wettervorhersagemodellen. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Cirrus cloud genesis is a multiscale problem. This makes the parameterization in numerical weather prediction models a challenging task. In order to improve the prediction of cirrus clouds and ice supersaturation formation in the German Weather Service (DWD) model chain, the controlling physical processes are investigated and parameterised in a new cloud ice microphysics scheme. Scale dependencies of the ice microphysical scheme were assessed by conducting simulations with an idealised and realistic regional Consortium for Small-Scale Modeling (COSMO) model setup and a global model (GME). The developed two-moment two-mode cloud ice scheme includes state-of-the-art parameterisations for the two main ice creating processes, homogeneous and heterogeneous nucleation. Homogeneous freezing of supercooled liquid aerosols is triggered in regions with high atmospheric ice supersaturations (145-160 %) and high cooling rates. Heterogeneous nucleation depends mostly on the existence of sufficient ice nuclei in the atmosphere and occurs at lower ice supersaturations. The larger heterogeneously nucleated ice crystals can deplete ice supersaturation and inhibit subsequent homogenenous freezing. In order to avoid an overestimation of heterogeneous nucleation, cloud ice sedimentation and a prognostic budget variable for activated ice nuclei are introduced. A consistent treatment of the depositional growth of the two ice particle modes and the larger snowflakes using a relaxation timescale method was applied which ensures a physical representation for depleting ice supersaturation. Comparisons between the operational and the new cloud ice microphysics scheme in the GME revealed that the location of cirrus clouds is dominated by the model dynamics whereas the cirrus cloud structures strongly differed for the different schemes. Especially a reduction in the ice water content between 9 and 11 km was observed when using the new cloud ice scheme. This change is an improvement as demonstrated by a comparison with the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) ice water content product. Further comparisons of the GME with the Integrated Forecast System (IFS) model of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) show a clear improvement of the ice supersaturation distribution with the new two-moment cloud ice scheme. In-cloud ice supersaturation is correctly captured, which is compliant with in-situ measurements. This is a more physical description then in the IFS model, where in-cloud ice saturation is assumed.

Abstract

Die Entstehung von Zirren geschieht auf mehreren Skalen, was eine Herausforderung für die Parametrisierung in Numerischen Wettervorhersagemodellen darstellt. Um die Vorhersage von Zirren und Eisübersättigung in der Modellkette des Deutschen Wetterdienstes (DWD) zu verbessern, werden die kontrollierenden mikrophysikalischen Prozesse untersucht und in einem neuen Wolkeneismikrophysikschema parametrisiert. Die Skalenabhängigkeit des Eismikrophysikschemas wird anhand von idealisierten, sowie reellen Modelläufen mit dem Regionalmodell (COSMO) und dem Globalmodell (GME) ermittelt. Die Entwicklung des 2-Momenten 2-Moden Wolkeneisschemas beinhaltet neuartige Parametrisierungen der zwei Hauptentstehungsprozesse von Wolkeneispartikeln, homogenes und heterogenes Gefrieren. Homogene Nukleation von flüssigen Aerosolen wird in Regionen mit hohen atmosphärischen Eisübersättigungen (145-160 %) und hohen Kühlraten ausgelöst. Heterogenes Gefrieren ist abhängig von der Existenz von Eiskernen und erfolgt bereits bei niedrigen Eisübersättigungen. Die größeren heterogen gefrorenen Eispartikel können eine vorhandene Eisübersättigung abbauen und somit das Einsetzen von homogener Nukleation verhindern. Um eine Überschätzung von heterogen nukleirtem Eis zu verhindern, wurden Wolkeneissedimentation und eine prognostische Bilanzgleichung für aktivierte Eiskerne eingeführt. Eine Relaxations-Zeitskalen-Methode für das Depositionswachstum der 2-Eismoden und der größeren Schneeflocken erlaubt eine konsistente Behandlung für den Abbau der Eisübersättigung. Ein Vergleich zwischen dem GME unter Verwendung des operationellen und dem neuen Wolkeneisnukleationsschema zeigte, dass die Entstehungsposition der Zirren von der Dynamik des Modells dominiert wird und gleich bleibt, während die innere Struktur der Eiswolken sich stark unterscheidet. Insbesondere wurde eine Verringerung des Eiswassergehaltes zwischen 9 und 11 km beobachtet. Dies stellt gemäß Auswertungen mit dem Wolkeneiswasser Produkt des CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations), eine Verbesserung gegenüber dem operationellen Schema dar. Weitere Vergleiche mit dem IFS (Integrated Forecast System) Modell des europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage zeigten klare Verbesserungen hinsichtlich der Verteilung von Eisübersättigung mit dem neuen 2-Momenten Wolkeneisschema. Besonders erlaubt die Verwendung des neuen Schemas auch die Erfassung der Eisübersättigung innerhalb von Wolken, die mit direkten Messungen übereinstimmt. Hingegen dem IFS, dem eine Annahme der Sättigung innerhalb von Wolken zu Grunde liegt, kann somit mit dem neuen Wolkeneisschema eine physikalischere Beschreibung der Eisübersättigung erreicht werden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ice nucleation, ice supersaturation, cirrus clouds, numerical weather prediction
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. November 2013
• 1. Bericht­erstatter:in: Schumann, Ulrich