Simulating contrail formation within cirrus in the high-resolution ICON-LEM model

Verma, Pooja (2022): Simulating contrail formation within cirrus in the high-resolution ICON-LEM model. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Cirrus clouds are common in the upper troposphere and contribute to the earth's radiation budget. The radiative forcing caused by cirrus is dependent on their macro-, microphysical and optical properties; therefore, a change in the cirrus properties leads to a change in their radiative impacts. Recently a study showed evidence of changes in cirrus optical depth due to contrail ice formation within cirrus in satellite remote sensing data. So far, no detailed studies are available that can quantify the impact of contrail ice formation within cirrus on cirrus microphysical and optical properties. Therefore, the aim of the presented work is to improve our understanding of contrail formation within cirrus and their impact on cirrus cloudiness. A high-resolution ICON-LEM (ICOsahedral Non-hydrostatic- Large-Eddy Modelling) in weather forecasting mode at a horizontal resolution of 625 meters is used. In order to study contrail formation within cirrus, a parameterization for contrail formation within cirrus, consisting of contrail ice nucleation and ice crystal loss in the vortex phase, is implemented and modified to include the impact of pre-existing cirrus on contrail ice formation. Two very different synoptic situations and associated cirrus cloud fields are sampled to cover a large range of cirrus properties, which represent a very thin cirrus connected with a high-pressure system and an average thick in-situ formed and liquid origin cirrus connected with a frontal system. The sublimation of cirrus ice crystals in the engine and sublimation of/ deposition on the cirrus ice crystals mixed in the exhaust plume causes a change in the plume’s water vapor mixing ratio. This change is mostly positive and contributes maximally 20% of the water vapor emitted from aircraft due to the combustion of conventional fuels. This change in the plume’s water vapor mixing ratio leads to a change in the contrail formation threshold temperature and contrail ice nucleation while ice crystal survival within the vortex phase appears to be nearly unchanged. In areas where the cirrus ice water content is large, the change in the contrail formation threshold temperature reaches values of up to 2K, and associated changes in the nucleation rate of contrail ice crystals lead to changes in ice crystal number concentrations of maximally 107 m-3, the similar order of magnitude that would result from disregarding the impact of cirrus ice crystals. Even though cirrus ice crystals sublimate within the descending vortices and may act to increase relative humidity leading to a decrease in contrail ice sublimation, the preceding growth phase, in which cirrus ice crystals can grow faster, often even at the expense of contrail ice crystals, leads to smaller contrail ice crystals. Both effects together compensate, leaving ice crystal survival rates approximately unchanged. The formation of contrail ice crystals within cirrus introduces large perturbations in ice crystal numbers, increasing ice number concentrations by 2 to 4 orders of magnitude. The ice water content in the cirrus also changes, but the changes are smaller than for ice crystal number concentrations. Perturbations can be long-lived, with changes discernible even after 6 hours. During their lifetime, perturbations spread and affect large parts of the cirrus clouds at flight level and below. Contrail ice formation can accelerate the dissolution of cirrus due to the replacement of a few large cirrus ice crystals by many small contrail ice crystals. The change in the cirrus properties causes a change in the optical depth of the cirrus. Maximum increase and decrease in cirrus optical depth reach values of 4 in thick cirrus. However, probability of decrease in optical depth is significantly lower than the probability of increase in optical depth due to contrail formation within cirrus. The simulations show clear signs of adjustments of cloud properties of cirrus downwind of cirrus that was directly modified by contrail formation. The ice water content, ice number concentrations, and optical depth of those cirrus further downwind appear to be decreased, which needs to be considered when estimating the climate impact of contrail formation within cirrus in the future.

Abstract

Zirruswolken treten häufig in der oberen Troposphäre auf und tragen zur Energiebilanz der Erde bei. Der Strahlungsantrieb von Zirren hängt von deren makrophysikalischen, mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften ab. Deshalb führt eine Änderung der Zirruswolkeneigenschaften zu einer Änderung ihrer Strahlungswirkung. Eine kürzlich erschienene Studie analysierte Satellitenfernerkundungsdaten und lieferte den Hinweis, dass Kondensstreifeneisbildung in Zirren deren optische Dicke beeinflusst. Bis jetzt existieren keine detaillierten Studien, die den Einfluss von Kondensstreifeneisbildung in Zirren auf deren mikrophysikalische und optische Eigenschaften quantifizieren. Daher ist es das Ziel dieser Arbeit, das Verständnis zu Kondensstreifeneisbildung in Zirren und zum Einfluss von Kondensstreifen auf die Zirrusbewölkung zu verbessern. Das hochauflösende Modell ICON-LEM (ICOsahedral Non-hydrostatic- Large-Eddy Modelling) wird verwendet und im Wetterprognose-Modus mit einer horizontalen Auflösung von 625 Metern betrieben. Um Kondensstreifenbildung in Zirren zu untersuchen wird eine Parametrisierung für Kondensstreifenbildung in Zirren implementiert, welche Kondensstreifeneisbildung und den Eiskristallverlust in der Vortex-Phase beschreibt. Diese Parametrisierung wird modifiziert, um den Einfluss präexistierender Zirruswolken auf die Kondensstreifeneisbildung einzubeziehen. Zwei sehr unterschiedliche synoptische Situationen und entsprechende Zirruswolkenfelder werden beprobt, um eine große Spannweite verschiedener Zirruseigenschaften abzudecken. Zum einen eine sehr dünne Zirruswolke verbunden mit einem Hochdruckgebiet, zum anderen eine in-situ und konvektiv geformte Zirruswolke mittlerer Dicke verbunden mit einem Frontsystem. Die Sublimation von Zirruseiskristallen im Flugzeugtriebwerk und die Sublimation von / Deposition auf die Zirruseiskristalle gemischt in der Abgasfahne bewirkt eine Änderung des Wasserdampfmischungsverhältnisses in der Abgasfahne. Diese Änderung ist meist positiv und trägt zu maximal 20% des vom Flugzeug durch Verbrennung konventioneller Treibstoffe emittierten Wasserdampfes bei. Diese Änderung des Wasserdampfmischungsverhältnisses der Abgasfahne führt zu einer Änderung des Temperaturschwellwertes der Bildung von Kondensstreifen und der Kondensstreifeneisbildung, während das Überleben der Eiskristalle in der Vortexphase weitgehend unverändert bleibt. In Gebieten mit hohem Zirruseiswassergehalt reicht diese Änderung der Temperaturschwelle der Kondensstreifenbildung bis zu 2K. Damit verbundene Änderungen der Nukleationsrate von Zirruseiskristallen führen zu Änderungen der Eiskristallanzahlkonzentration von maximal 107 m-3. Diese Größenordnung ist vergleichbar mit dem Effekt einer Vernachlässigung des Einflusses von Zirruseiskristallen. Obwohl Zirruseiskristalle in den absinkenden Vortices sublimieren und damit die relative Feuchte erhöhen, was eine verringerte Sublimation des Zirruseises bewirkt, führt das schnellere Anwachsen der Eiskristalle in der vorangegangenen Wachstumsphase, oft auf Kosten der Zirruseiskristallbildung, zu kleineren Eiskristallen in Kondensstreifenzirren. Diese beiden Effekte kompensieren sich gegenseitig, so dass die Überlebensrate der Eiskristalle kaum verändert wird. Die Bildung von Kondensstreifeneiskristallen in Zirruswolken bewirkt eine beträchtliche Störung der Kristallzahlen, was zu einer Erhöhung der Eiskristallanzahlkonzentration von zwei bis vier Größenordnungen führt. Der Eiswassergehalt in der Zirruswolke verändert sich ebenfalls, jedoch sind diese Änderungen geringer als im Fall der Eiskristallanzahlkonzentrationen. Diese Störungen können langlebig sein, so dass Änderungen auch nach sechs Stunden sichtbar sind. Während der Lebensdauer der Störungen verteilen diese sich und beeinflussen große Teile der Zirruswolken in Flughöhe und darunter. Kondensstreifeneisbildung kann die Auflösung von Zirren beschleunigen, da statt weniger großer Zirruseiskristalle, eine große Zahl kleiner Kondensstreifeneiskristalle entstehen. Die Veränderung der Zirruseigenschaften bewirkt eine Änderung der optischen Dicker der Zirren. Maximalwerte für Zu- und Abnahme der optischen Dicker der Zirren betragen bis zu 4 in dichten Zirruswolken. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit einer Abnahme der optischen Dicker durch Kondensstreifenbildung in Zirren deutlich geringer als die Wahrscheinlichkeit einer Zunahme. Die Simulationen zeigen deutliche Anzeichen für Anpassungen der Wolkeneigenschaften von Zirren in Windrichtung von Zirruswolken, die direkt durch Kondensstreifenbildung modifiziert wurden. Der Eiswassergehalt, die Eiskristallanzahlkonzentrationen und die optische Dicke jener in Windrichtung gelegener Zirren scheinen verringert zu sein. Dieser Effekt sollte in Zukunft bei der Abschätzung des Klimaeffektes der Kondensstreifenbildung in Zirren berücksichtigt werden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Large Eddy simulation ICON model, Contrails, contrail modelling, contrail ice formation within cirrus, cirrus clouds, optical depth
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 13. Oktober 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Rapp, Markus