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Ice nucleation parameterization for global models

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Global modeling of ice clouds and the effects of aerosol-related ice nuclei (IN) changes on clouds and climate remains a significant challenge. Here, we describe a parameterization that accounts for the effects of homogeneous ice nucleation as well as two different modes of heterogeneous nucleation in the upper troposphere. The parameterization treats homogeneous nucleation by sulfate aerosol, deposition nucleation as described by the MEYERS et al. (1992) formulation, and immersion nucleation by soot aerosol. Besides air mass temperature and updraft velocity, number concentration of pure sulfate aerosol acting through homogeneous ice nucleation and number concentration of soot aerosol as heterogeneous ice nuclei are explicitly included in the parameterization so that the indirect effect of aerosols on the cirrus clouds (i.e. the effect of increases in aerosol number concentrations) can be described in a global model. In addition the transition from the heterogeneous to homogeneous-dominated nucleation and the competition between homogeneous and heterogeneous nucleation in the transition regime are considered in the parameterization. The parameterization is compared to the results from air parcel model simulations of uplifting and adiabatically cooling clouds and to other recently developed ice nucleation parameterizations.

Die globale Modellierung von Eiswolken sowie der Effekte von Änderungen in der Verfügbarkeit von als Eiskerne (IN) dienenden Aerosolen auf Wolken und Klima bleiben eine große Herausforderung. In dieser Arbeit stellen wir eine Parametrisierung der Effekte homogener Nukleation sowie zweier unterschiedlicher Moden heterogener Nukleation in der oberen Troposphäre. Die Parametrisierung beschreibt homogene Nukleation durch Sulfataerosole, Depositionsnukleation entsprechend der Formulierung von MEYERS et al. (1992) sowie Immersionsgefrieren durch Rußpartikel. Neben der Lufttemperatur und der Auftriebsgeschwindigkeit gehen die Anzahlkonzentration von reinen Sulfataerosolen, die homogene Nukleation auslösen, sowie die Anzahlkonzentration von Rußpartikeln, die als heterogene Eiskerne dienen, explizit in die Parametrisierung ein, so dass der indirekte Effekt von Aerosolen auf Zirruswolken (d.h. der Effekt von Erhöhungen der Aerosolanzahlkonzentration) in einem globalen Modell dargestellt werden kann. Zusätzlich beschreibt die Parametrisierung den Übergang von heterogen zu homogen dominierter Nukleation sowie die Konkurrenz zwischen homogener und heterogener Nukleation in diesem Übergangsbereich. Die neue Parametrisierung wird mit den Ergebnissen von Boxmodellsimulationen aufsteigender und sich adiabatisch abkühlender Wolken sowie mit anderen kürzlich entwickelten Eisnukleationsparametrisierungen verglichen.

Document Type: Research Article


Publication date: August 1, 2005

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