Wechselwirkung zwischen Wolken und Strahlung beeinflusst außertropische Wirbelstürme

Simulationen zeigen, wie die Erwärmung und Abkühlung von Wolken durch Strahlung die Dynamik und Vorhersagbarkeit ändern

Das Wetter in den mittleren Breiten wird stark von Tiefdruckgebieten oder Zyklonen bestimmt, deren Dynamik und Vorhersagbarkeit stark von Wolken beeinflusst werden. Wolken können Zyklonen beeinflussen, indem sie bei ihrer Bildung latente Wärme freisetzen, wenn Wasserdampf kondensiert. Außerdem können Wolken Zyklonen beeinflussen, indem sie Sonnen- und Wärmestrahlung absorbieren und emittieren, was zu einer weiteren Erwärmung und Abkühlung in der Atmosphäre führt. Obwohl die Auswirkungen der latenten Erwärmung auf Wirbelstürme viel untersucht wurden, ist wenig über die Auswirkungen der wolkenbedingten Strahlungserwärmung und -abkühlung auf Wirbelstürme bekannt.

In einer kürzlich erschienenen Arbeit haben Keshtgar et al. (2022) die erste systematische Untersuchung des Einflusses des Wolken-Strahlungseffekts auf eine idealisierte Zyklone durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein neue Modellkonfiguration für das ICON-Atmosphärenmodell implementiert, die es ermöglicht, idealisierte Zyklonen auf einer kartesischen Ebene in der Geometrie eines Kanals zu simulieren. Darüber hinaus wurde eine neue Technik eingeführt, die es ermöglicht, eine Zyklone nur mit dem Strahlungsbeitrag von Wolken zu simulieren, wodurch die Auswirkungen von Wolken-Strahlungseffekten auf eine saubere und leicht zu interpretierende Weise isoliert werden.

Entwicklung eines idealisierten Wirbelsturms, dargestellt durch 3-dimensionale Wolkenbedeckung und Oberflächentemperatur, simuliert mit ICON unter Verwendung einer Modellkonfiguration in einem flachen Kanal. (©Behrooz Keshtgar)

Um die Auswirkungen von Wolken-Strahlungseffekten auf die Zyklone zu bewerten, verglichen die Forscher Zyklone, die mit und ohne Wolken-Strahlungseffekte simuliert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass Wolken-Strahlungseffekte die kinetische Wirbelenergie der Zyklone in der Nähe der Tropopause erheblich verstärkt.

Um zu verstehen, wie Wolken-Strahlungseffekte die Dynamik des Wirbelsturms verändern, untersuchten die Forscher die Quelle der Unterschiede in der potenziellen Wirbelstärke in der Nähe der Tropopause. Die Ergebnisse zeigten, dass die Auswirkungen von Wolken-Strahlungseffekten auf die Zyklone einer Reihe von Prozessen folgen: strahlungsbedingte Abkühlung an der Wolkenoberseite und leichte Erwärmung darunter destabilisieren die Aufstiegsregion innerhalb der Zyklone und verändern die latente Erwärmung. Änderungen der latenten Erwärmung führen zu Änderungen der vertikalen Bewegung und der divergenten Strömung in der Nähe der Tropopause. Nach Änderungen der divergenten Strömung verstärken sich die Unterschiede in der potentiellen Vorticity mit der rotierenden Strömung während der hochgradig nichtlinearen Phase der Zyklonenentwicklung. Obwohl die Wolken-Strahlungseffekte vergleichsweise klein ist, können sie so außertropische Wirbelstürme beeinflussen, indem sie die latente Erwärmung und damit die großräumige Strömung in der Nähe der Tropopause verändert. Eine weitere wichtige Erkenntnis dieser Untersuchung ist, dass der Einfluss von Wolken-Strahlungseffekten auf die Zyklone mit der Zeit stärker wird, da die Strahlung kontinuierlich mit der Zyklone interagiert. Die Forscher führen aus, dass dieses Ergebnis darauf hindeutet, dass die Veränderungen in der latenten Erwärmung bei verschiedenen Darstellungen von Wolken-Strahlungseffekten in Modellen unterschiedlich sein können. In der Tat ist seit langem bekannt, dass die Wolken-Strahlungseffekte in Modellen aufgrund verschiedener Faktoren unsicher ist, z. B. wegen inhärenter Probleme bei den in den Strahlungsschemata verwendeten Näherungen und der schlechten Darstellung von Wolken. Daher können die mit der Darstellung von Wolken-Strahlungseffekten in numerischen Modellen verbundenen Unsicherheiten die Modellvorhersagen für außertropische Wirbelstürme beeinflussen.

 

Entwicklung der Differenz der potentiellen Enstrophie (quadrierte Potential-Vorticity) und Beiträge verschiedener Prozesse in der Nähe der Tropopause. (© Behrooz Keshtgar)

Derzeit arbeiten der IMK-TRO-Doktorand Behrooz Keshtgar und Kollegen von der Universität Wien und der LMU daran, die Unsicherheiten der Wolken-Strahlungseffekte innerhalb eines idealisierten außertropischen Zyklons zu quantifizieren und ihre Auswirkungen auf die Dynamik des Zyklons zu untersuchen. Ihr Plan ist es, die idealisierten Simulationen zu in Perspektive zu setzen, indem sie testen, inwieweit die idealisierten Ergebnisse für eine realistische Wettersituation gelten. Dafür wird eine der Zyklonen simuliert werden, die während der NAWDEX-Feldkampagne beobachtet wurden.

Referenz:

Keshtgar, B., Voigt, A., Hoose, C., Riemer, M., and Mayer, B.: Cloud-radiative impact on the dynamics and predictability of an idealized extratropical cyclone, Weather Clim. Dynam. Discuss. https://doi.org/10.5194/wcd-2022-35, in review, 2022.