Modellierung von Kondensstreifenzirren

Der Beitrag der Luftfahrt am gesamten anthropogenen
Strahlungsantrieb beträgt 3-8 %. Mit steigendem
Luftverkehrsaufkommen um etwa 5 % jährlich wächst dieser Beitrag
stetig an. Kondensstreifenzirren machen den größten Anteil an der
Klimawirkung des Luftverkehrs aus. Die Ergebnisse der bisherigen
Studien sind aber noch mit großen Unsicherheiten versehen. Mit dem
Ziel einer realistischeren Darstellung von Kondensstreifenzirren
und genaueren Validierungsmöglichkeiten der
Kondensstreifenzirren-Parametrisierung im Klimamodell wird in
dieser Arbeit die Parametrisierung der mikrophysikalischen und
optischen Eigenschaften von Kondensstreifenzirren, welche einen
großen Einfluss auf deren Klimawirksamkeit haben, verbessert. Als
Vorarbeit musste das im Klimamodell ECHAM5 verwendete
Zwei-Momenten-Schema für natürliche Wolken in Bezug auf die
Konsistenz der Mikrophysik mit einem fraktionellen
Bedeckungsgradschema modifiziert werden. Zudem wurde die
Nukleationsparametrisierung um den Einfluss durch präexistierendes
Eis erweitert. Die für ECHAM4 entwickelte
Kondensstreifenzirren-Parametrisierung wurde in ECHAM5 übertragen
und um das Zwei- Momenten-Schema erweitert. Neben dem
Eiswassergehalt wird damit auch die Eispartikelanzahldichte im
Modell prognostiziert. Folglich kann die mittlere Eispartikelgröße
bestimmt werden. Es stellte sich heraus, dass genaue Informationen
über die Ausdehnung des Volumens der Kondensstreifenzirren wichtig
für die Darstellung der mikrophysikalischen und optischen
Eigenschaften der Kondensstreifenzirren sind. Der Einfluss von
Diffusion und Sedimentation auf die Vergrößerung des Volumens der
Kondensstreifenzirren wurde im Modell parametrisiert. Das Ergebnis
zeigt eine ähnliche globale Verteilung der Kondensstreifenzirren
wie in der Studie mit ECHAM4. Die Bedeckungsgrade sind jedoch
höher, zeigen aber im Vergleich mit Satellitendaten gute
Übereinstimmungen. Die optische Dicke orientiert sich einerseits an
der Höhe des Eiswassergehalts. Beide zeigen Maxima in den Tropen,
wo die Menge des kondensierbaren Wasserdampfs hoch ist.
Andererseits orientiert sich die globale Verteilung der
mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften, anders als in
früheren Studien, stark an der Flugverkehrsdichte. Durch häufige
Bildung von Eispartikeln in den Hauptfluggebieten bleibt die
Eispartikelanzahldichte groß und die mittlere Partikelgröße klein.
Folglich ist die optische Dicke in diesen Gebieten durch die
Berücksichtigung der Eispartikelanzahldichte höher als in früheren
Studien. Wenn man, wie in früheren Studien, das Strahlungschema mit
einer Beschränkung auf größere Eispartikel anwendet, ist der
Strahlungsantrieb mit 29 mW/m2 im Vergleich zur vorangegangenen
Studie in ECHAM4 etwas geringer. Emittierte Rußpartikel aus den
Flugzeugtriebwerken stellen eine dominierende Quelle der
Eispartikel in Kondensstreifenzirren dar. Die erweiterte
Parametrisierung von Kondensstreifenzirren im Modell ist
Voraussetzung für eine Studie über den Einfluss einer
Rußemissionsänderung auf den Strahlungsantrieb von
Kondensstreifenzirren. Bei einer angenommenen Reduzierung der
initialen Eispartikelanzahldichte um 80 % werden die Eispartikel
größer und die optische Dicke kleiner. Der Bedeckungsgrad der
sichtbaren Kondensstreifenzirren veringert sich um mehr als die
Hälfte, jedoch wurde die Vermutung, dass sich die Lebensdauer der
Kondensstreifenzirren durch die Bildung größerer Eispartikel
verkürzt, nicht bestätigt.