Vorhersagbarkeit von Eisübersättigung und persistenten Kondensstreifen

Hofer, Sina Maria (2025): Vorhersagbarkeit von Eisübersättigung und persistenten Kondensstreifen. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Der Luftverkehr trägt aufgrund seiner Emissionen in Reiseflughöhe zum Klimawandel bei. Um den Einfluss der Luftfahrt auf die globale Erwärmung zu minimieren, gibt es verschiedene Ansätze, wie die Vermeidung der Bildung persistenter Kondensstreifen, was eine Meidung von Flügen durch eisübersättigte Regionen (ISSRs) erfordert, oder den Einsatz alternativer Treibstoffe. Für das Umfliegen von ISSRs wird eine präzise Vorhersage dieser Gebiete benötigt, welche derzeit noch mit Unsicherheiten behaftet ist. Die vorliegende Arbeit untersucht, ob die Prognose des Auftretens von ISSRs mit modernen Regressionsmethoden verbessert werden kann. Dazu wurden MOZAIC/IAGOS-Flugzeugmessdaten und ERA5-Reanalysedaten eingesetzt. Es zeigte sich, dass ein sogenanntes generalisiertes additives Modell unter Verwendung der Feuchte und verschiedener dynamischer Größen der ERA5-Daten die Vorhersage von ISSRs verbessert, diese jedoch zum Zweck der Flugroutenoptimierung noch nicht zufriedenstellend ist. Weitere Verbesserungen könnten durch eine genauere Beschreibung physikalischer Prozesse in Wettermodellen und mehr Messungen der Feuchte in Flughöhen, die anschließend in die Datenassimilation eingehen, erzielt werden. ISSRs bewegen sich im Allgemeinen nicht mit dem Wind. Dies hat einen Einfluss auf die Lebensdauer und damit die Klimawirkung von Kondensstreifen. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit die kinematischen Eigenschaften von ISSRs im Vergleich zum lokalen Wind untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Windgeschwindigkeiten (Mittelwert: 21 m/s) durchschnittlich größer sind als ISSR-Geschwindigkeiten (Mittelwert: 15 m/s). ISSRs rotieren langsam und bewegen sich, wie der lokale Wind, meist nach Osten. Außerdem wurde eine synoptische Zeitskala für die Lebensdauer von Kondensstreifen bestimmt und mit der Zeitskala für die Sedimentation der Kondensstreifeneiskristalle verglichen. Beide Zeitskalen liegen in der Größenordnung von ein paar Stunden. Für einen effektiven Einsatz alternativer Treibstoffe zur Verminderung der Kondensstreifenwirkung muss die Sedimentationszeitskala kleiner sein als die synoptische Zeitskala. Alternative Treibstoffe vermindern zwar die Klimawirkung von Kondensstreifen, führen aber zunächst wegen des höheren Wasserstoffgehalts zu mehr Kondensstreifenbildung. Die Größe dieses Zuwachses wurde mit MOZAIC/IAGOS- und ERA5-Daten bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Verwendung alternativer Drop-In (kerosinähnlicher) Kraftstoffe ein paar Prozent (≈ 4,0 %) mehr persistente Kondensstreifen auftreten. Bei der Verwendung von Methan und flüssigem Wasserstoff als Kraftstoff werden trotz der noch höheren Wasserdampfemissionen weniger als 10 % zusätzlicher persistenter Kondensstreifen erwartet. Diese Kondensstreifen sind weniger klimawirksam als Kondensstreifen kerosinbetriebener Flugzeuge, da sie optisch dünner und ihre Eiskristalle durchschnittlich größer sind, wodurch die Lebensdauer solcher Kondensstreifen im Durchschnitt kürzer ist.

Abstract

Aviation contributes to climate change due to its emissions at cruising altitude. There are various approaches to minimise the impact of aviation on global warming, such as the prevention of the formation of persistent contrails, which requires avoiding flights through ice supersaturated regions (ISSRs), or the use of alternative fuels. For flying around ISSRs, a precise forecast of these regions is required, which is currently still subject to uncertainties. This study investigates whether the prediction of the occurrence of ISSRs can be improved using modern regression methods. MOZAIC/IAGOS aircraft measurement data and ERA5 reanalysis data were used for this purpose. It turned out that a so-called generalised additive model using the humidity and various dynamical variables of ERA5 data improves the prediction of ISSRs, but it is not yet satisfactory for flight route optimisation. Further improvements could be achieved through a more precise description of physical processes in weather models and more measurements of humidity at flight altitudes, which are then used for data assimilation. ISSRs generally do not move with the wind. This has an influence on the lifetime and thus the climate impact of contrails. For this reason, the kinematic properties of ISSRs were analysed in this work in comparison to the local wind. It turned out that the wind speeds (mean value: 21 m/s) are on average larger than ISSR speeds (mean value: 15 m/s). ISSRs rotate slowly and usually move to the east, like the local wind. In addition, a synoptic timescale for the lifetime of contrails was determined and compared with the timescale for the sedimentation of contrail ice crystals. Both timescales are on the order of a few hours. For an effective use of alternative fuels to reduce the contrail effect, the sedimentation timescale has to be smaller than the synoptic timescale. Although alternative fuels reduce the climate impact of contrails, they initially lead to more contrail formation due to the higher hydrogen content. The size of this increase was determined using MOZAIC/IAGOS and ERA5 data. The results show that the use of alternative drop-in (kerosene-like) fuels results in a few percent (≈ 4.0 %) more persistent contrails. When using methane and liquid hydrogen as fuel, less than 10 % additional persistent contrails are expected, despite the even higher water vapour emissions. These contrails have less impact on the climate than contrails of kerosene-powered aircraft, as they are optically thinner and their ice crystals are larger on average, which means that the lifetime of such contrails is shorter on average.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Kondensstreifen, eisübersättigte Gebiete, ISSRs, Regression, Vorhersage persistenter Kondensstreifen, Kinematik eisübersättigter Gebiete, Zeitskalen der Kondensstreifenauflösung, alternative Treibstoffe
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 28. Juli 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Schmidt, Anja