Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds [Elektronische Ressource] / Philipp Reutter

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

Numerical simulations of
microphysical processes in
pyro-convective clouds
Dissertation
zur Erlangung des Grades
”Doktor der Naturwissenschaften”
am Fachbereich Physik
der Johannes Gutenberg-Universit¨at
in Mainz
Philipp Reutter
geboren in
Stuttgartii
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ Freitag, 13. November 2009iiiivAbstract
Deep convection induced by vegetation fires is one of the most intense forms of at-
mospheric convection. The extreme cloud dynamics with high updraft velocities (up
−1to 20ms ) already at the cloud base, high water vapor supersaturations (up to 1%),
and high number concentrations of aerosol particles freshly emitted by the fire (up to
5 −31·10 cm ) represent a particular setting for aerosol-cloud interactions.
A crucial step in the microphysical evolution of a convective cloud is the activation
of aerosol particles to form cloud droplets. The activation process affects the initial
number and size of cloud droplets, and can thus influence the evolution of the con-
vective cloud and the formation of precipitation. The main parameters determining
the initial number and size of cloud droplets are the number, size and hygroscopic-
ity of aerosol particles available at the cloud base as well as the updraft velocity. To
investigate the influence of these parameters under the conditions of pyro-convection,
numerical simulations have been performed using a cloud parcel model with a detailed
spectraldescriptionofcloudmicrophysics,includingdifferentK¨ohlermodelapproaches
for hygroscopic growth. The results can be classified into three regimes depending on
the ratio between updraft velocity and aerosol number concentration (w/N ): (1)CN
an aerosol-limited regime (high w/N ), (2) an updraft-limited regime (low w/N )CN CN
and(3)atransitionalregime(intermediate w/N ). Theresultssuggestthatthevari-CN
ability in the initial cloud droplet number concentration in (pyro-) convective clouds
is mostly dominated by the variability of updraft velocity and aerosol particle number
concentration.
To investigate the microphysical processes within the smoky updraft region of a
pyro-convectivecloudwithdetailedspectralmicrophysics,theparcelmodelwasinitial-
ized along a trajectory within the convective updraft as obtained from a 3-dimensional
simulation of an idealized pyro-convective event with the model ATHAM. It is shown
that the cloud droplet number concentration increases with increasing aerosol number
concentration. Ontheotherhand,thesizeoftheclouddropletsdecreaseswithincreas-
vvi
ing aerosol concentration. This reduced broadening of the spectrum with increasing
aerosol concentration is in agreement with measurements and supports the concept of
suppression of rain formation in extremely polluted clouds.
Building upon a realistic parameterization of CCN activation derived from the
parcel model activation study, ATHAM was used to investigate the dynamical and
microphysical processes of pyro-convective clouds with 2- and 3-dimensional simula-
tions. A state-of-the-art two-moment microphysical scheme has been implemented in
order to study the influence of the aerosol concentration on the development of ide-
alized pyro-convective clouds in US standard atmospheres for the mid-latitudes and
the tropics. The results show that the aerosol concentration influences the formation
of rain. For lower aerosol concentrations rain formation is rapidly formed by warm
microphysical processes while for higher aerosol concentrations the ice phase is more
important for the formation of rain. This leads to a delay of the onset of precipitation
for more polluted atmospheres. It is also shown that the composition of the ice nuclei
(IN) has a strong effect on the dynamical and microphysical structure of these clouds.
For very efficient IN rain forms more rapidly. The investigation of the influence of the
atmosphericbackgroundprofileshowsasmalleffectofmeteorologyonthesensitivityof
thepyro-convectivecloudsonaerosolconcentration. Comparedtothemid-latitudeUS
standard atmosphere the influence of the aerosol concentration is similar in a warmer
and more humid atmosphere as represented by the tropical US standard atmosphere.
Finally, itisshownthattheamountofheatemittedbythefirehasasignificantimpact
upon the development and cloud top height of pyro-convective clouds.
In summary, this thesis investigated in detail the microphysics of pyro-convective
clouds by performing idealized simulations of fire-induced deep convection with a bin-
microphysical parcel model and with a 3D model with a two-moment bulk scheme. It
is clearly shown that the extreme conditions in terms of updraft velocity and aerosol
concentrations significantly impact upon cloud evolution, including activation at the
cloudbaseandinparticularrainformationwithintheclouds. Similarmodelstudiesfor
morerealisticconditionsbothinthetropicsandextratropicswillberequiredtofurther
quantify the relevance of the findings for pyro-convection in the real atmosphere.Zusammenfassung
Hochreichende Konvektion ub¨ er Waldbr¨anden ist eine der intensivsten Formen von at-
mosph¨arischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Wind-
−1geschwindigkeiten (bis 20ms ) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfub¨ er-
s¨attigungen(bis1%)unddiedurchdasFeuerhohenAnzahlkonzentrationvonAerosol-
5 −3partikeln(bis 1·10 cm ) bilden einenbesonderen Rahmen fur¨ Aerosol-WolkenWech-
selwirkungen.
Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvek-
tiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Ak-
tivierungsprozess bestimmt die anf¨angliche Anzahl und Gr¨oße der Wolkentropfen und
kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung
beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anf¨angliche Anzahl und Gr¨oße der
Wolkentropfen bestimmen, sind die Gr¨oße und Hygroskopizit¨at der an der Wolken-
basis verfugbaren¨ Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den
Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden
numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spek-
traler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgefuhrt.¨ Diese Ergebnisse k¨onnen
in drei unterschiedliche Bereiche abh¨angig vom Verh¨altnis zwischen vertikaler Wind-
geschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/N ) eingeteilt werden: (1) einCN
durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/N ), (2) ein durch dieCN
¨vertikaleWindgeschwindigkeitBereich(niedrigesw/N )und(3)einUber-CN
gangsbereich (mittleres w/N ). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilit¨at derCN
anf¨anglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken
haupts¨achlichdurchdieVariabilit¨atdervertikalenWindgeschwindigkeitundderAerosol-
konzentration bestimmt wird.
Um die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer
pyro-konvektivenWolkemiteinerdetailliertenspektralenMikrophysikzuuntersuchen,
wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion ini-
viiviii
tialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-
konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die
Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt.
Auf der anderen Seite verringert sich die Gr¨oße der Wolkentropfen mit steigender
Aerosolkonzentration. Diese Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums
stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen ub¨ erein und unterstutzt¨ das Konzept der
Unterdruc¨ kung von Niederschlag in stark verschmutzten Wolken.
Mit Hilfe des numerischen Models ATHAM wurden die dynamischen und mikro-
physikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistis-
chen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der
Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein
modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implemen-
tiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwick-
lung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosph¨aren fur¨ die
mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die An-
zahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Fur¨ geringe
Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung haupts¨achlich durch warme
mikrophysikalische Prozesse statt. Mit h¨oheren Aerosolkonzentrationen wird die Eis-
phase wichtiger fur¨ die Bildung von Regen. Dies fuhrt¨ zu einem versp¨ateten Einsetzen
von Niederschlag fur¨ verunreinigtere Atmosph¨aren. Außerdem wird gezeigt, dass die
Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dy-
namische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN
bildet sich Regen fruher.¨ Die Untersuchung zum Einfluss des atmosph¨arischen Hinter-
grundprofils zeigt eine ¨ahnliche Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivit¨at der
pyro-konvektiven Wolken auf die Aerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt,
dassdiedurchdasFeueremit