Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Deep convection induced by vegetation fires is one of the most intense forms of atmospheric convection. The extreme cloud dynamics with high updraft velocities (up to 20 m/s) already at the cloud base, high water vapor supersaturations (up to 1%), and high number concentrations of aerosol particles freshly emitted by the fire (up to 100000 cm^-3) represent a particular setting for aerosol-cloud interactions.A crucial step in the microphysical evolution of a convective cloud is the activation of aerosol particles to form cloud droplets. The activation process affects the initial number and size of cloud droplets, and can thus influence the evolution of the convective cloud and the formation of precipitation. The main parameters determining the initial number and size of cloud droplets are the number, size and hygroscopicity of aerosol particles available at the cloud base as well as the updraft velocity. To investigate the influence of these parameters under the conditions of pyro-convection, numerical simulations have been performed using a cloud parcel model with a detailed spectral description of cloud microphysics, including different Köhler model approaches for hygroscopic growth. The results can be classified into three regimes depending on the ratio between updraft velocity and aerosol number concentration (w/NCN): (1) an aerosol-limited regime (high w/NCN), (2) an updraftlimited regime (low w/NCN) and (3) a transitional regime (intermediate w/NCN). The results suggest that the variability in the initial cloud droplet number concentration in (pyro-) convective clouds is mostly dominated by the variability of updraft velocity and aerosol particle number concentration. To investigate the mirophysical processes within the smoky updraft region of a pyroconvective cloud with detailed spectral microphysics, the parcel model was initialized along a trajectory within the convective updraft as obtained from a 3-dimensional simulation of an idealized pyro-convective event with the model ATHAM. It is shown that the cloud droplet number concentration increases with increasing aerosol number concentration. On the other hand, the size of the cloud droplets decreases with increasing aerosol concentration. This reduced broadening of the spectrum is in agreement with measurements and supports the concept of suppression of rain formation in extremely polluted clouds. Building upon a realistic parameterization of CCN activation derived from the parcel model activation study, ATHAM was used to investigate the dynamical and microphysical processes of pyroconvective clouds with 2- and 3-dimensional simulations. A state-of-the-art two-moment microphysical scheme has been implemented in order to study the influence of the aerosol concentration on the development of idealized pyro-convective clouds in US standard atmospheres for the mid-latitudes and the tropics. The results show that the aerosol concentration influences the formation of rain. For lower aerosol concentrations rain formation is rapidly formed by warm microphysical processes while for higher aerosol concentrations the ice phase is more important for the formation of rain. This leads to a delay of the onset of precipitation for more polluted atmospheres. It is also shown that the composition of the ice nuclei (IN) has a strong effect on the dynamical and microphysical structure of these clouds. For very efficient IN rain forms more rapidly. The investigation of the influence of the atmospheric background profile shows a small effect of meteorology on the sensitivity of the pyroconvective clouds on aerosol concentration. Compared to the mid-latitude US standard atmosphere the influence of the aerosol concentration is similar in a warmer and more humid atmosphere as represented by the tropical US standard atmosphere. Finally, it is shown that the amount of heat emitted by the fire has a significant impact upon the development and cloud top height of pyroconvective clouds.In summary, this thesis investigated in detail the microphysics of pyro-convective clouds by performing idealized simulations of fire-induced deep convection with a bin-microphysical parcel model and with a 3D model with a two-moment bulk scheme. It is clearly shown that the extreme conditions in terms of updraft velocity and aerosol concentrations significantly impact upon cloud evolution, including activation at the cloud base and in particular rain formation within the clouds. Similar model studies for more realistic conditions both in the tropics and extra tropics will be required to further quantify the relevance of the findings for pyro-convection in the real atmosphere.