Global modelling of ice nucleating particles and their effects on cirrus clouds

Beer, Christof Gerhard (2021): Global modelling of ice nucleating particles and their effects on cirrus clouds. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics

Abstract

Atmospheric ice nucleating aerosol particles (INPs) can influence the climate system by modifying cloud properties and consequently the Earth’s radiation budget. However, these aerosol-cloud interactions and their effects on the global scale, especially regarding cirrus clouds, are still only poorly understood, and subject to large uncertainties. In this thesis INP-induced modifications of cirrus clouds are analysed by employing the atmospheric chemistry general circulation model EMAC, including the aerosol microphysics submodel MADE3. To facilitate the analysis of INP-effects, model improvements and developments with respect to the representation of ice nucleating particles are applied. Besides mineral dust and soot aerosols, additional types of INPs are implemented, i.e. crystalline ammonium sulfate and glassy organic particles. A global climatology of the different INP-types is presented and global effects on cirrus coud properties and the radiative balance are quantified. Sensitivities with respect to the freezing efficiency of INPs, to the vertical velocities during cloud formation, and the effects of anthropogenic INPs are analysed.

Abstract

Eisbildende Aerosolpartikel in der globalen Atmosphäre, auch Eiskerne genannt, können durch Beeinflussung von Wolkeneigenschaften und damit verbundenen Modifikationen des Strahlungshaushaltes wichtige Klimaänderungen bewirken. Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen, besonders im Hinblick auf Zirruswolken, sind allerdings mit großen Unsicherheiten behaftet. In dieser Dissertation werden Eiskern-Effekte auf Zirruswolken und Strahlung mithilfe des globalen Klima-Chemie Modells EMAC analysiert, welches das Aerosol-Mikrophysik Modul MADE3 beinhaltet. Zur Analyse der globalen Eiskerneffekte wird die Modelldarstellung eisbildender Aerosole weiterentwickelt und, neben Mineralstaub und Ruß, um zusätzliche Eiskerntypen erweitert: kristallines Ammoniumsulfat und hochviskose organische Partikel. Eine globale Klimatologie der verschiedenen Eiskern-Typen wird präsentiert und globale Effekte auf Zirruswolken-Eigenschaften und Strahlungsbilanz werden quantifiziert. Sensitivitäten im Hinblick auf die Gefriereigenschaften der Eiskerne, die Vertikalgeschwindigkeiten während der Wolkenbildung und die Effekte anthropogener Eiskerne werden analysiert.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Keywords: Global atmospheric chemistry-climate model, ice-nucleating particles, aerosol-cloud-interaction, cirrus clouds, radiative forcing
• Subjects: 500 Natural sciences and mathematics; 500 Natural sciences and mathematics > 530 Physics
• Faculties: Faculty of Physics
• Language: English
• Date of oral examination: 7. July 2021
• 1. Referee: Sausen, Robert
• Signature of the printed copy: 0001/UMC 28159