Universität zu Köln

Marine Kaltluftausbrüche sind ein zentraler Mechanismus für den meridionalen Energie- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen der Arktis und den mittleren Breiten. Sie entstehen, wenn kalte, trockene arktische Luftmassen über den vergleichsweise warmen offenen Ozean transportiert werden, was zu starken sensiblen und latenten Wärmeflüssen führt. Die daraus resultierende schnelle Destabilisierung der unteren Troposphäre begünstigt die Entstehung tiefer, wolkenbedeckter Grenzschichten. Im Verlauf dieser Transformation verwandeln sich die ursprünglich stabilen Luftmassen rasch in ein konvektives Regime, das durch organisierte Mischphasenwolken und Niederschlag gekennzeichnet ist. Trotz ihrer großen Bedeutung für das Wetter in der Arktis und den mittleren Breiten bleibt die realistische Darstellung von marinen Kaltluftausbrüchen in Atmosphärenmodellen eine Herausforderung. Ihre multiskaligen Eigenschaften erfordern eine konsistente Berücksichtigung unterschiedlicher Prozesse wie Turbulenz, Wolkenmikrophysik und großskaliger Bewegungen. Insbesondere sind großskalige Absinkbewegungen ein wichtiger, bislang jedoch nur unzureichend erfasster Einflussfaktor auf die Grenzschichtentwicklung und die Wolkenentwicklung. Die Quantifizierung der Absinkbewegungen ist in hohen Breitengraden aufgrund begrenzter Beobachtungsmöglichkeiten besonders schwierig, und ihre Rolle bei der Entwicklung von marinen Kaltluftausbrüchen ist nach wie vor nicht vollständig erfasst. In dieser Dissertation werden diese Fragen adressiert, indem flugzeuggestützte Beobachtungen mit Lagrangschen Large-Eddy-Simulationen (LES) kombiniert werden, um den Einfluss mesoskaliger Absinkbewegungen auf arktische marine Kaltluftausbrüche zu analysieren. Dabei werden umfassende Beobachtungen während der HALO-(AC)³-Kampagne genutzt, die detaillierte Informationen zur atmosphärischen Struktur, zu Wolkeneigenschaften und zu Luft-Meer-Wechselwirkungen liefern. Entlang mesoskaliger Flugrouten gewonnene Dropsondendaten ermöglichen die Bestimmung vertikaler Profile der horizontalen Divergenz auf räumlichen Skalen von etwa 100 km. Über die Massenerhaltung lassen sich daraus Profile der atmosphärischen Absinkbewegung ableiten, die auf diese Weise unter arktischen Bedingungen quantifiziert werden können. Unsicherheiten werden durch unabhängige Messungen verschiedener Flugzeuge eingeschränkt. Diese Beobachtungsdaten dienen anschließend zur Initialisierung und zum Antrieb eines Lagrangschen LES-Modells. Die Entwicklung der Luftmasse wird entlang ihrer Trajektorie vom Meereis bis zum offenen Ozean verfolgt, wodurch eine kontinuierliche Beschreibung der Grenzschichttransformation unter beobachtungsbasierten Randbedingungen sowie der großskaligen Zirkulation aus dem umfassenden HALO-(AC)³-Datensatz ermöglicht wird. Die Simulation wird anhand unabhängiger flugzeuggestützter Fernerkundungsbeobachtungen validiert und reproduziert zentrale beobachtete Eigenschaften, darunter die Grenzschichthöhe, thermodynamische Struktur, integrierter Wasserdampf sowie Flüssig- und Eiswasserpfade. Dies stellt sicher, dass das Modell die wesentlichen Prozesse der En- twicklung von Kaltluftausbrüchen abbildet. Aufbauend auf diesem Simulationsansatz wird eine systematische Sensitivitätsanalyse durchgeführt, bei der die Reaktion von Grenzschicht- und Wolkenprozessen auf mesoskalige Absinkbewegungen untersucht wird. Hierzu wird die Stärke der beobachteten Vertikalbewegung variiert, während die vertikalen und zeitlichen Strukturen konsistent mit der Kontrollsimulation beibehalten werden. Darüber hinaus wird die Sensitivität der Aerosol-Wolken-Wechselwirkung durch Experimente mit variierenden Konzentrationen von Wolkenkondensationskernen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass großskaliges Absinken die Tiefe der Grenzschicht und die Wolkenphase maßgeblich beeinflusst. Variationen in der Konzentration von Wolkenkondensationskernen beeinflussen die Tröpfchenaktivierung, die Niederschlagsbildung sowie die Phasenaufteilung, wobei diese mikrophysikalischen Prozesse mit den durch das Absinken vorgegebenen dynamischen Randbedingungen wechselwirken. Die Systemreaktion wird zudem durch die Dynamik der Grenzschicht bestimmt, insbesondere durch ihre interne Entkopplung, die bei schwächerem mesoskaligem Absinken früher eintritt und die Bildung von konvektivem Graupel auslöst. Dies fördert die effiziente Umwandlung von flüssigen Wassertropfen zu Eiskristallen und beeinflusst die Entwicklung der Wolkenphase. Im Gegensatz dazu hemmt stärkeres Absinken das Wachstum der Grenzschicht, verzögert die Entkopplung und begrenzt die Wolkenentwicklung, während schwächeres Absinken eine tiefere atmosphärische Grenzschicht und eine intensivere Wolkenentwicklung ermöglicht.

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