Relativer Einfluss von Aerosol, Bodenfeuchte und Orographie auf Konvektion

Die Vorhersagbarkeit von konvektiven Niederschlägen hängt von vielen Faktoren ab, u.a. von der geographischen Lage

(z. B. dem Vorhandensein von Gebirgen), von Boden-Atmosphäre- und Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen. In einer neuen Studie wurden erstmals alle diese Einflussfaktoren zusammen untersucht, um deren relativen Einfluss auf die Niederschlagsbildung in Deutschland bei verschiedenen Wetterlagen zu quantifizieren. Dazu verwenden wir das COnsortium for Small-sale MOdelling (COSMO) Modell mit (i) sukzessiver Glättung der Orographie, (ii) systematischen Änderungen der Bodenfeuchte und (iii) unterschiedliche Annahmen für den Gehalt an Wolkenkondensationskernen (Aerosolen).

Unsere Ergebnisse (Abb. 1) zeigen, dass der Einfluss dieser Faktoren bei schwachem synoptischen Antrieb (Hochdruckwetterlagen) größer ist als bei starkem synoptischen Antrieb (Tiefdruckeinfluss). Bodenfeuchte und Aerosole haben bei der Hälfte der untersuchten Fälle den größten Einfluss auf die Niederschlagsmenge, während der Einfluss der Orographie geringer ist. Für die meisten untersuchten Fälle beobachten wir eine Zunahme der Niederschlagsmenge mit der Bodenfeuchte. Außerdem scheint die Menge der Bodenfeuchte wichtiger zu sein, als deren horizontale Verteilung über das Modellgebiet. Die Sensitivität bezüglich der Aerosolkonzentration ist komplex und von Fall zu Fall unterschiedlich. Die Glättung der Orographie hat einen kleineren Einfluss bei starkem synoptischen Antrieb, da die Flüsse am Boden einen geringeren Einfluss auf die Niederschlagsbildung haben und die Hebung der Luftmassen an Gebirgen trotz der Glättung noch hinreichend simuliert werden kann.

Im Vergleich mit der Referenzsimulation ist der mittlere quadratische Fehler (RMSE) am größten bei den stärksten Niederschlagsintensitäten (Abb. 2). Bei den Orographie- und Aerosol-Störungen steigt der Fehler schon früh am Tag an, während die größten Abweichungen am Ende der Simulation bei den Bodenfeuchte- und Orographie-Störungen liegen. Die Abweichungen für die Aerosolkonzentrationen sind bei starkem synoptischen Antrieb größer, was für eine größere Rolle der Menge der Wolkenkondensationskerne bei diesen Wetterlage spricht.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Rolle von Aerosolen und Bodenfeuchte auf die Vorhersagbarkeit von Niederschlägen in Deutschland ähnlich groß ist und dass deren Einführung in moderne Ensemblevorhersagesysteme mit anderen Unsicherheiten weiter geprüft werden sollte.

Literatur:  Schneider, L., Barthlott, C., Hoose, C., and Barrett, A. I.: Relative impact of aerosol, soil moisture, and orography perturbations on deep convection, Atmos. Chem. Phys., 19, 12343–12359, https://doi.org/10.5194/acp-19-12343-2019, 2019.