Turbulenzeinfluß auf das Kollisionswachstum von Wolkentropfen (METSTROEM-Projekt)

Seit einigen Jahren wird vermutet und in den Fachzeitschriften intensiv diskutiert , dass die Turbulenz, die in allen Wolkentypen mehr oder minder allgegenwärtig ist, einen Einfluss auf Kollisionen von Wolkentropfen hat. Zur Untersuchung dieses Effekts haben sich im DFG-Schwerpunktprogramm 1276 „Metstroem“  Forscher des Aerodynamischen Instituts (AIA) der RWTH Aachen  , des Instituts für Meteorologie und Klimatologie (IMUK), Hannover   und des IMK-TRO zusammengefunden.

Im Detail geht es darum, welchen Einfluss die lokale Wolkenturbulenz auf die Kollisionseffizienz von kleinen Wolkentropfen und damit auf die Koagulationsfunktion hat, die wiederum eine wichtige Größe bei der Simulation der Niederschlagsbildung ist. Insbesondere soll herausgearbeitet werden, wie sich die Niederschlagsintensität ändert, wenn Turbulenzeffekte berücksichtigt werden. Angewendet werden soll die zu entwickelnde Parametrisierung der Koagulationsfunktion unter Einbeziehung der Turbulenz in einem zweidimensionalen Wolkenmodell des IMUK und einer dreidimensionalen Simulation stark konvektiver Wolken mit dem Wettervorhersagemodell COSMO des Deutschen Wetterdienstes.

Ausgangspunkt der Untersuchungen, die schwerpunktmäßig am AIA durchgeführt werden, ist ein langjährig entwickeltes Programmpaket des AIA, das erfolgreich auf vielfältige Situationen technischer Art angewendet wurde. Es arbeitet mit einem Strömungslöser der RANS-Gleichungen für kartesische, hierarchisch verfeinerte Gitter mit Hilfe eines Finite Volumen Verfahrens. Die Trajektorien einer großen Zahl von Tropfen (mehr als 107), die als passive Tracer in einem isotrop-turbulenten Strömungsfeld transportiert werden und dabei gegenseitige Stöße ‚erleiden‘, werden auf einem Parallelrechner berechnet. Die Anzahl der numerisch aufgelösten Zellen liegt bei etwa 50 Millionen, der Zeitschritt bewegt sich bei etwas weniger als 10-4 s. Die betrachteten Tropfenradien variieren zwischen 5 und 95 Mikrometern.

Erste Ergebnisse zeigen im Vergleich zu anderen unabhängigen Rechnungen von Franklin et al. (2007) und Ayala et al. (2008) eine meist gute Übereinstimmung für den polydispersen Fall. Im Fall monodisperser Partikel, die für wolkenmikrophysikalische Fragestellungen von eher untergeordneter Bedeutung ist, finden sich größere Abweichung relativ zu anderen Berechnungen.

Literatur:

Kunnen, R.P.J., Siewert, C., Meinke, M., Schröder, W., Beheng, K.D., 2012:
Numerically determined geometric collision kernels in spatially evolving isotropic turbulence relevant for droplets in clouds.
eingereicht bei Atmos. Res.