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Titelaufnahme

Titel
Characteristic Lifecycles of Ice Supersaturated Regions : implications on the competition of contrails and natural cirrus clouds
VerfasserSchmederer, Polly
Begutachter / BegutachterinMayr, Georg
Betreuer / BetreuerinMayr, Georg ; Unterstraßer, Simon
Erschienen2016
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Masterarb., 2016
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Datum der AbgabeAugust 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (EN)Ice supersaturated regions / Condensation trails / Contrails / Cirrus clouds / Relative humidity / Virtual humidity / Lifetimes
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-5022 Persistent Identifier (URN)
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Characteristic Lifecycles of Ice Supersaturated Regions [8.61 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Sowohl natürliche Zirruswolken, als auch Kondensstreifen haben einen Einfluss auf das Klima. Jedoch sind Kondensstreifen im Gegensatz zu natürlichen Zirruswolken anthropogen erzeugt. Eine Voraussetzung für die Bildung und das weitere Bestehen von Kondensstreifen sind eisübersättigte Regionen (ISSRs). Diese Arbeit untersucht charakteristische Lebenszyklen von ISSRs, um das Konkurrenzverhalten von natürlichen Zirruswolken und Kondensstreifen zu beleuchten. Außerdem werden die Eigenschaften von natürlichen Zirruswolken in Abhängigkeit ihrer Lebensdauer betrachtet. Zu diesem Zweck wurden Lagrange Trajektorien gestartet. Daten des Vorhersagemodells COSMO-EU wurden von jeweils 4 Monaten für die Jahre 2011, 2012 und 2013 verwendet. Der Nukleationsschwellwert für homogene Nukleation beträgt 140 % relative Feuchte. Bei der verwendeten virtuellen relativen Feuchte (RH) wird die Eisbildung unterdrückt, um einen ungestörten Feuchteverlauf analysieren zu können. RH verändert sich über adiabate Erwärmung und Abkühlung. An jedem Gitterpunkt wurden in 10 Levels, welche den Höhenbereich von 9 bis 11 km abdecken, Trajektorien gestartet. Waren die Trajektorien zum Startzeitpunkt eisübersättigt, sind sie so lange verfolgt worden, wie sie eisübersättigt blieben. Die Trajektorien sind dann im Hinblick auf die Dauer ihres Bestehens, vertikale Geschwindigkeiten und maximale Feuchtewerte statistisch analysiert worden.

Die meisten (virtuellen) eisübersättigten Trajektorien bestehen nur wenige Stunden, jedoch können einige bis zu 70 h Lebensdauer erreichen (dies entspricht der maximalen Untersuchungsdauer). In fast allen jener ISSRs, die nur einige Stunden leben, können sich keine natürlichen Zirruswolken bilden, da RH bei diesen den Nukleationsschwellwert nicht erreicht. Je länger ISSRs leben, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Nukleationsschwellwert überschritten wird. Im Mittel vergehen bis zum Erreichen des Nukleationsschwellwertes 4 h. Die Aufgleitgeschwindigkeiten von ISSRs, die den Nukleationsschwellwert überschreiten, sind höher, als bei jenen, deren RH unterhalb des Schwellwertes bleibt. Je kürzer die Lebensdauern der ISSRs, die den Schwellwert erreichen, desto höher sind ihre Aufgleitgeschwindigkeiten. ISSRs können sehr hohe RH Werte erreichen, was eine komplizierte Oberfläche von Eiskristallen begünstigt. Die Verteilung der Lebensdauern und der maximalen Feuchtewerte kann mittels einer Weibullverteilung dargestellt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Kondensstreifen im Mittel nur in einem sehr kurzen Zeitraum bilden können, ohne in Konkurrenz mit sich neu bildenden Zirruswolken zu stehen.

Zusammenfassung (Englisch)

Cirrus clouds and condensation trails (contrails) have a climate impact. While the former are natural, the latter are man-made. Ice supersaturated regions (ISSRs) are a prerequisite for the growth and persistence of contrails. This thesis examines a characteristic lifecycle of ISSRs, to investigate the competition between contrails and natural cirrus clouds and to show how properties of natural cirrus clouds change depending on their lifetime. For this purpose, Lagrangian trajectories are investigated. COSMO-EU data is used from four months per year for 2011, 2012 and 2013. The nucleation threshold for homogeneous nucleation is 140 % relative humidity. In order to get an undisturbed humidity evolution, the formation of ice particles is neglected for the calculation of virtual humidity (RH). RH only changes due to adiabatic heating/cooling. At each gridpoint of the domain trajectories are started in 10 levels from 9 to 11 km altitude. Air parcels which are ice supersaturated in the beginning are followed as long as they stay ice supersaturated. The ice supersaturated trajectories are statistically analysed with respect to their duration, vertical velocities and maximal humidities.

Most of the (virtual ) ice supersaturated trajectories live only a few hours but some can reach up to 70 h lifetime (which is the observational maximum of this thesis). Almost all of the ISSRs that live for a few hours are not able to form natural cirrus clouds, since their RH does not cross the nucleation threshold. The longer the lifetimes of ISSRs, the higher is the probability that natural cirrus can form. On average ISSRs cross the nucleation threshold after around 4 h. The rising velocities of ISSRs that cross the nucleation theshold is higher than of those that dont. The shorter the lifetimes of ISSRs reaching nucleation, the higher the updraught velocities. Extremely high RH values can be reached which implies a high surface complexity of ice crystals. The distribution of lifetimes and maximal RH can be described by a Weibull distribution. In conclusion, this thesis shows that on average contrails have only a short period of time for which they can form without being in competition with newly forming cirrus clouds.