Experimentelle und numerische Untersuchung von kollisionsinduziertem und spontanem Aufbrechen von Regentropfen zur Vorhersage von Niederschlag

• Antragsteller: Dr. Axel Seifert; Privatdozent Dr. Miklós Szakáll
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431120337

Ein fundamentaler Parameter zur Beschreibung und Analyse von Niederschlag ist die Regentropfen- Größenverteilung (RSD, raindrop size distribution). Die Entwicklung der RSD wird hauptsächlich von Koaleszenz und Aufbrechen von kollidierenden Tropfen beeinflusst und vom spontanen Aufbrechen sehr großer Regentropfen. In der Literatur findet man bisher nur wenige experimentelle Studien zur Größenverteilung der Tropfenfragmente (fragment size distribution, FSD) nach Aufbrechen von Tropfen unter kontrollierten atmosphären-ähnlichen Bedingungen. Im beantragten Projekt sollen solche Laborexperimente zum kollisions-induzierten und spontanen Aufbrechen am Mainzer vertikalen Windkanal mit Regentropfen von 1 bis 6 mm Größe durchgeführt werden. Der Mainzer vertikale Windkanal ist eine weltweit einzigartige Anlage, in der einzelne Regen- und Wolkentropfen frei in einem vertikalen Luftstrom ausgeschwebt werden, ohne dass zu Wandkontakten kommt oder eine Aufhängung benötigt wird. Dies repräsentiert physikalisch die Bedingungen in der Atmosphäre, wenn Tropfen mit ihrer End-Fallgeschwindigkeit in einer Wolke getragen werden oder ausfallen. Die Experimente am Windkanal werden optimiert durch die Verwendung von neuen detektierenden und bildgebenden Methoden, die eine exakte Bestimmung der Größe der Fragmente nach dem Aufbrechen der Regentropfen gewährleisten. Die Resultate aus den Experimenten werden die existierenden Datenlage erheblich ausweiten und damit dazu beitragen, existierende Parametrisierungen der FSD, die in Wolkenmodellen verwendet werden, zu validieren und zu verbessern. Daher ist es ein wesentliches Ziel dieses Projekts, aus den Resultaten der Laborexperimente verbesserte Parametrisierungen der FSD nach kollisions-induziertem und spontanem Aufbrechen herzuleiten. Die neuen Parametrisierungen werden in ein spektrales Wolkenmikrophysik-Schema und in einen Monte-Carlo "super-droplet" Ansatz implementiert. Beide Methoden gewährleisten eine Massenerhaltung der Tropfen. In einem ersten Schritt werden sie in ein Box-Modell und ein 1D- Regenschacht-Modell eingebaut, um zu verstehen, wie das Aufbrechen von Tropfen das Verhalten und die Entwicklung des RSD beeinflusst. Diese Prozessstudien ermöglichen auch einen ersten Vergleich der simulierten RSD mit Feldmessungen. In einem letzten Schritt werden die neuen Parametrisierungen in 3D-Wolkenmodellen verwendet. 3D-Wolkensimulationen repräsentieren die Interaktionen zwischen der Dynamik und der Wolkenmikrophysik in realistischer Weise und ermöglichen damit, den Einfluss des Tropfen-Aufbrechens auf Niederschlag und Regenrate zu bestimmen. Angesichts der zunehmenden extremen Niederschlagsereignissen ist es von wesentlicher Bedeutung, die Verlässlichkeit der Niederschlagsvorhersage zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen