Resolution dependence of cumulus statistics in radiative-convective equilibrium

Published: Nov. 25, 2014, 11 a.m.

Ein theoretisches Modell welches die Fluktuationen innerhalb eines Wolkenensembles beschreibt, stellt die Basis f\xfcr stochastische Konvektionsparametrisierung dar. Hochaufgel\xf6ste, idealisierte Simulationen eines Wolkenensembles \xfcber einer homogenen Meeresoberfl\xe4che werden benutzt um die G\xfcltigkeit des theoretischen Modells im Strahlungs-Konvektions-Gleichgewicht zu evaluieren. Im ersten Schritt dieser Studie werden Kontrollsimulationen mit einer horizontalen Aufl\xf6sung von 2 km durchgef\xfchrt, wobei f\xfcnf verschiedene Abk\xfchlungsraten benutzt werden um das Wolkenensemble anzutreiben. In den Kontrollsimulationen wird die G\xfcltigkeit einer exponentiellen Verteilung des vertikalen Massenflusses und der Wolkengr\xf6\xdfen f\xfcr alle Abk\xfchlungsraten nachgewiesen. Desweiteren, nimmt die Anzahl der Wolken im Modellgebiet mit steigender Abk\xfchlungsrate linear zu, wohingegen nur eine schwache Abh\xe4ngigkeit der mittleren Wolkengr\xf6\xdfen und deren Vertikalgeschwindigkeiten von der St\xe4rke der Abk\xfchlungsrate beobachtet wird. Diese Ergebnisse zeigen eine gute \xdcbereinstimmung mit dem theoretischen Modell.\nIm zweiten Teil dieser Studie wird die Gitterweite in den numerischen Simulationen sukzessive bis zu einer Aufl\xf6sung von 125 m verfeinert.\nHierbei treten signifikante \xc4nderungen in der Wolkenstatistik und der Struktur der Wolkenfelder auf. Die Gr\xf6\xdfe der Wolken nimmt mit zunehmender Aufl\xf6sung stark ab, wohingegen die Anzahl der Gitterpunkte innerhalb einer Wolke ansteigt, da diese mit zunehmender Aufl\xf6sung besser auf dem numerischen Gitter dargestellt werden k\xf6nnen. Im Gegensatz zu den zuf\xe4llig verteilten Wolken in den Kontrollsimulationen, wird in den feinaufgel\xf6sten Wolkenfeldern beobachtet, dass sich die einzelnen konvektiven Zellen in bandartigen Strukturen um wolkenfreie Gebiete anordnen. Der Umkreis einer Wolke in dem diese Cluster-Effekte beobachtet werden, scheint indes unabh\xe4ngig von der horizontalen Aufl\xf6sung zu sein. Mit feiner werdender Aufl\xf6sung weicht dar\xfcber hinaus die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der Wolkengr\xf6\xdfen und des vertikalen Massenflusses immer st\xe4rker von der exponentiellen Verteilung ab. F\xfcr gr\xf6\xdfere Werte in den Verteilungen zeigen sich \xdcbereinstimmungen mit einer Power-Law Verteilung. Durch die Partitionierung der Wolken-Cluster in deren zugrundeliegende, einzelne Aufwindbereiche kann die erwartete, exponentielle Verteilung des Massenflusses und der Wolkengr\xf6\xdfen wieder hergestellt werden. Das theoretische Modell ist daher in hochaufgel\xf6sten Simulationen f\xfcr die einzelnen Aufwindbereiche g\xfcltig, allerdings m\xfcssen die Cluster-Effekte im Wolkenensemble hierbei ber\xfccksichtigt werden.