Ulrich Schumann, IPA, DLR bewirken vertikalen¼nchen.pdf · Kurve ist Maß für Energie der Wolkendynamik. 3 Institut für Physik der Atmosphäre Radiosonde München 18.07.05, 00

1

Institut für Physik der Atmosphäre

Gewitter als SpurenstoffgeneratorUlrich Schumann, IPA, DLR

entstehen aufgrund von instabiler Schichtung in der Atmosphäre

- - - -

+ + + +

verursachen Ladungs-trennung und Blitze

bewirken vertikalen Austausch von Wasserdampf, Impuls, Spurenstoffe zwischen Grenzschicht und freier Troposphäre

Blitze induzieren Stickoxide


Wie entstehen Gewitter

Siehe auch Hajo Koppert

2


Temperaturänderung in feuchter Luft bei Hebung eines abgeschlossenen (adiabaten) Luftpakets

Trockenadiabate, ca. 10 K/km

Feuchtadiabate, ca. 6 K/km

Kondensationsniveau

Temperatur

Hö

he


Temperaturänderung bei adiabater Hebung

Wolkenluft steigt auf

Temperatur

Hö

he

Temperatur in der Atmosphäre

Fläche zwischen blauer und grauer Kurve ist Maß für Energie der

Wolkendynamik

3


Radiosonde München

18.07.05, 00 UTCLuft-Temperatur

Taupunkt-Temperatur

Höh

e, h

ft

Erwärmung


Radiosonde München

18.07.05, 12 UTCLuft-Temperatur

Taupunkt-Temperatur

Höh

e, h

ft

Erwärmung

4


Gewitterauslösung durch

• Transport (Advektion) kalter Luft in der Höhe

• Transport (Advektion) feucht-warmer Luft in unterer Atmosphäre

• Aufwärtsbewegung durch Divergenz in der Höhe

• Erwärmung der bodennahen Atmosphäre durch solare Strahlung

• Verdunstung am Boden

Luft-Temperatur

Taupunkt-Temperatur

Höh

e, h

ft

Erwärmung


5


Verfolgung einzelner Gewitterzellen (T. Zinner)

Gelb: schnelle Cumulusentwicklung. Orange: schnelles Wachstum (Abkühlung im WV Kanal).Rot: intensive Konvektionszellen..


Verfolgung einzelner Gewitterzellen (T. Zinner)

6


DLR Radar-Komposit für 18.07.05


(photo taken from Jim Dodge, 2006)

Blitz und Donner

7


Ladungsverteilung in Gewittern• Bereifende Graupel und

Eispartikel tauschen bei Kollisionen Ladungen aus infolge unterschiedlichen Oberflächenpotential

• Kleine Partikeln schweben mit den Aufwinden nach oben, große fallen herunter, dadurch Ladungstrennung in der Wolke


Wolke-Boden-Blitze

8


Wolken-Wolken-Blitze


Blitz-Beobachtungen auf der Basis von Siemens-System, vom DWD für 18.07.05

9


LINET – Meßnetz 2005

H.-D. Betz, P. Oettinger et al., LMU


In den heißen Blitzkanälen entstehen Stickoxide (NOx)

Schätzung:

5 (1 - 20) Tg(N)/a

Zunahme von Stickoxiden bewirken:

Zunahme von Ozon -> mehr Treibhausgase

Abnahme von Methan -> weniger Treibhausgase

Stickoxide aus Blitzen

10


Messungen in Gewittern, zunächst Europa


EULINOX: 21.7.1998,Gewitterfront über Europa:Radar

Martin Hagen; siehe auch Peter Lang

11


EULINOX: 21.7.1998,Gewitterfront über Europa:Meteosat


EULINOX: Messungen in einer Gewitter-Superzelle

Punkte: Blitze, Kurve: Flugweg

12


UTC (s)64200 64400 64600 64800

NO

(ppb

v) &

Alti

tude

(km

)

0

5

10

15

20

25

30

35

CO

2 (pp

mv)

300

310

320

330

340

350

360

370

CN

(par

ticle

s STP

-cm

-3)

1e+1

1e+2

1e+3

1e+4

1e+5

III

CO2

CN

NO

Altitude

b)Beispiel eines Messergebnisses

Stickoxid

Kohlendioxid

Kleine Partikel

Flughöhe


Messungen in den Tropen

13


OTD/LIS lightning flash density, NASA 2006, maximum : ∼70 km-2 a-1, global mean 2.7±0.3 km-2 a-1

Global mean flash frequency 44±5 s-1

Blitzhäufigkeit aus Satellitendaten (11 Jahre OTD + LIS)


Messkampagnen 2004-2006 in Gebiete mit hoher Blitzhäufigkeit

TROCCINOX2004 & 2005 SCOUT-O3

2005

AMMA2006

CRYSTAL-FACE2002

STERAO1996

LINOX, EULINOX,

LINET1996-2005

14


Messkampagnen 2004-2006 in Gebiete mit hoher Blitzhäufigkeit

2004 / 2005 2005 2006


DJF:

JJA

Gewitter mit maximaler Blitzfrequenz über Argentinien & Paraguay:(Mesoscaleconvective complexes, MCS)

Gewitter mit hoher Blitzrate (TRMM-Daten)

Diverse Farbsymbole repräsentieren Gewitter mit unterschiedlicher Blitzfrequenz (Cecil et al., 2005). Schwarze Dreiecke: top 0.001 % aller ca. 13 Mill

Niederschlagsereignisse, mit Blitzfrequenzen von 310 bis 1389 min-1.

15


Beitrag von Blitz-NOx zur Stickoxid-Konzentration in der Atmosphäre, Gerechnet für LNOx-Quellstärke von 5 Tg/a

90 °South Latitude North 90°

teils mehr als > 60 % in den Tropen

und > 20 % über Europa

(in Juli)

Zum Vergleich, Luftfahrt: < 1Tg/a


90 °South Latitude North 90°Juli, in %

Geophysica

Falcon

Beitrag von Blitz-NO: besonders groß in der tropischen Troposphäre, bis ca. 15 km Höhe

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Konvektion über Südamerika,

Wasserdampf-Signal, GOES,

Jan + Febr. 2003


NO aus der StratosphäreTropische Tropopausen Übergangsschicht

NO aus Blitzen

“saubere” untere Troposphäre

Regional verschmutzte Grenzschicht

Stickoxide NO im Umfeld tropischer Gewitter

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TROCCINOX

SCOUTAMMA

EULINOX

Bestimmung der global durch Blitze erzeugten Stickoxide aus Gewittern


2-8

Levy et al. (1996)Boersma et al. (2005)Sauvage et al. (2006)

Model fit: S in global chemical transport model fitted to observations

1-25

Chameides et al. (1987)Huntrieser et al. (2002)

Storm extrapolation: S = Production per thunderstorm

× global thunderstorm rate

0.6-14

Tuck (1976),Lawrence et al. (1995), Beierle et al. (2006)

Flash extrapolation: S = Production per flash

× global flash rate

RangeS, Tg/a

Typical referencesMethod

Schätzungen der durch Blitze global induzierten Stickoxid-Masse (als N) pro Jahr

Schumann und Huntrieser (ACP, 2007)

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Year of Publication1980 1990 2000 2010

LNO

x m

olec

ules

per

flas

h, 1

025

1

10

100

LNO

x ni

trate

mas

s so

urce

Tg

a-1

0.1

1

10TheoryLaboratoryField dataReview

Flash-specific LNOx emissions

Rechte Skala für globale Blitzrate von 44 s-1

(Schumann & Huntrieser, ACP 2007)

Reviews:

(Lawrence et al., 1995;

Bradshaw et al., 2000;

Schumann and Huntrieser, 2007)

ohne Franzblau and Popp (1989): 300×1025 per flash, > 100 Tg/a


AracatubaBauru

Recife

Sal

Seville

Oberpfaffenhofen

Flugwege während des Transit und lokal, 2005

M55 Geophysica: schwarz

Falcon: rot

19


Time (s)0 100x103 200x103 300x103

NO

(nm

ol/m

ol)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

p (h

Pa)

0

500

1000

1500

2000

Day: 14 16 19 20 27 28 3a 3b 4 5 7 4 5 7 8 9 10 14 15 1718ab 19 1 4 5 8 12 15 17 18Month: 02 02 02 02 02 02 03 03 03 03 03 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 02 Falcon 2004 Falcon 2005 Geophysica 2005

Stickstoffoxid, NO: DatenM

isch

ungs

verh

ältn

is


Time (s)0 100x103 200x103 300x103

NO

(nm

ol/m

ol)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

p (h

Pa)

0

500

1000

1500

2000


Mix

ing

ratio

of

Stickstoffoxid, NO: Daten zeitlich geglättet

20


Time (s)0 100x103 200x103 300x103

NO

(nm

ol/m

ol)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

p (h

Pa)

0

500

1000

1500

2000


Mix

ing

ratio

of

Stickstoffoxid, NO: + Modellergebnis für 5 Tg/a


Time (s)0 100x103 200x103 300x103

NO

(nm

ol/m

ol)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

p (h

Pa)

0

500

1000

1500

2000


Mix

ing

ratio

of

Stickstoffoxid, NO: + Modellergebnis für 2 Tg/a

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LNOx N-Masse: 2 bis 8 Tg/a


Schlußfolgerungen

Reaktive Stickoxide wurden im Umfeld tropischer Konvektion bei TROCCINOX, SCOUT und AMMA gemessen

Stickoxide im Umfeld tropischer Gewitter zu 40-90 % aus BlitzenGlobale LNOx Quellstärke: 5 (2 - 8) Tg/a.Offen: Vorhersage von Blitzhäufigkeiten und NOx-Verteilung im Rahmen

der Wettervorhersage, Nutzung von Blitzbeobachtungen für Modell-Initialisierung (Daten-

Assimilation) Vorhersage von Gewittern im Zeitraum 1 bis 6 h, z.B. im LMK des

DWD.

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Danke

Martin HagenHartmut HöllerHeidi HuntrieserHermann MannsteinAndreas PetzoldMonika PfeifferHans SchlagerArnold TaffernerHans VolkertTobias Zinner

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