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A new parameterization scheme for ice and snow in climate models

English title A new parameterization scheme for ice and snow in climate models
Applicant Lohmann Ulrike
Number 160177
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Atmosphäre und Klima ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Meteorology
Start/End 01.04.2015 - 31.07.2018
Approved amount 450'373.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Meteorology
Other disciplines of Environmental Sciences

Keywords (4)

climate feedbacks; climate change; climate modeling; cloud physics

Lay Summary (German)

Lead
Wolken bestimmen massgeblich die Entwicklung unseres Klimas. Während warme Wolken in unseren Klimamodellen recht gut simuliert werden, sind kalte Wolken, in denen sich Eis bilden kann, viel komplexer und noch nicht vollständig erforscht. Dieses Projekt zielt auf eine Verbesserung der Eisphase in Wolken ab. Dazu soll eine neue Parametrisierung in das Klimamodell ECHAM-HAM implementiert werden.
Lay summary

Globale Temperaturänderungen werden durch das Zusammenspiel von ein- und ausgehender Strahlung bestimmt. Dazu tragen Wolken massgeblich bei. Sie reflektieren Sonnenlicht und absorbieren und re-emittieren terrestrische Strahlung. Die Wolken spielen auch für den hydrologischen Kreislauf eine wichtige Rolle. In mittleren Breitengraden bildet sich Niederschlag meist in Regionen wo die Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt. Um die Entstehung von Niederschlag zu verstehen, müssen wir also die Eisphase in Wolken begreifen.

Analog zum flüssigen Wasser, wird das Eis in unseren Modellen oft in zwei Kategorien unterteilt: Niederschlagsbildender Schnee und kleinere Eiskristalle. Diese einfache Herangehensweise führt jedoch zu Problemen mit den simulierten Niederschlagsraten und der totalen Eismasse. Bei Temperaturen zwischen 0 ºC und -40 ºC können Wassertröpfchen und Eiskristalle gleichzeitig auftreten. Deren Interaktion gestaltet die Eisbildung sehr viel komplizierter als die der Flüssigphase.

Um dieses Problem anzugehen, werden wir das 'Predicted Particle Properties' Schema (Morrison et al. 2014) für das Klimamodell ECHAM-HAM adaptieren. Dieses braucht nur ein Typ Eis mit verschiedenen Eigenschaften. Dadurch lassen sich beobachtbare Strukturen wie Hagel, Schnee oder Graupel reproduzieren ohne auf die unphysikalische Diskretisierung durch fixe Kategorien zurückzugreifen.

Dieses Projekt setzt die Empfehlung des Workshops über die Parametrisierung von Wolken in numerischen Modellen am European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) um, nach der die höchste Priorität die Vereinfachung der Eisphase auf eine einzelne Kategorie haben soll. Durch die Kopplung des verbesserten Modells mit dem Ozean- und Meereseismodell des Max Planck Instituts versprechen wir uns weitere Einsicht in die Reaktion der Wolken auf die globale Erwärmung und die möglicherweise damit einhergehenden Feedbacks von arktischen Wolken und Meereseis.

Direct link to Lay Summary Last update: 08.04.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Elucidating ice formation pathways in the aerosol-climate model ECHAM6-HAM2
Dietlicher Remo, Neubauer David, Lohmann Ulrike (2019), Elucidating ice formation pathways in the aerosol-climate model ECHAM6-HAM2, in Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 1-32.
Additional Global Climate Cooling by Clouds due to Ice Crystal Complexity
Järvinen Emma, Jourdan Olivier, Neubauer David, Yao Bin, Liu Chao, Andreae Meinrat O., Lohmann Ulrike, Wendisch Manfred, McFarquhar Greg M., Leisner Thomas, Schnaiter Martin (2018), Additional Global Climate Cooling by Clouds due to Ice Crystal Complexity, in Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 1-24.
The importance of mixed-phase and ice clouds for climate sensitivity in the global aerosol–climate model ECHAM6-HAM2
Lohmann Ulrike, Neubauer David (2018), The importance of mixed-phase and ice clouds for climate sensitivity in the global aerosol–climate model ECHAM6-HAM2, in Atmospheric Chemistry and Physics, 18(12), 8807-8828.
Prognostic parameterization of cloud ice with a single category in the aerosol-climate model ECHAM(v6.3.0)-HAM(v2.3)
Dietlicher Remo, Neubauer David, Lohmann Ulrike (2018), Prognostic parameterization of cloud ice with a single category in the aerosol-climate model ECHAM(v6.3.0)-HAM(v2.3), in Geoscientific Model Development, 11(4), 1557-1576.
Cirrus Cloud Properties as Seen by the CALIPSO Satellite and ECHAM-HAM Global Climate Model
Gasparini B., Meyer A., Neubauer D., Münch S., Lohmann U. (2018), Cirrus Cloud Properties as Seen by the CALIPSO Satellite and ECHAM-HAM Global Climate Model, in Journal of Climate, 31(5), 1983-2003.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
National Center of Atmospheric Research United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Oxford University Great Britain and Northern Ireland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Max Planck Institute for Meteorology Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Awards

Title Year
Doctorate of Philosophy honoris causa from Stockholm University. Conferred on Sept 28, 2018 2018

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
175824 Exploiting orographic clouds for constraining the sources of ice crystals 01.10.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Clouds are important in the climate system because of their large influence on the radiation budget. They scatter solar radiation and with that cool the climate (albedo effect of clouds). On the other hand, they absorb and re-emit terrestrial radiation, which causes a warming (greenhouse effect of clouds). Clouds are also an integral part in the hydrological cycle. In mid-latitudes most of the precipitation originates via the ice phase and melts on the way to the surface. However, the ice phase in clouds is much less understood than the warm phase. General circulation models (GCMs) need to parameterize precipitation formation, because it occurs on subgrid scales. Following on Kessler's (1969) concept, a distinction is made between cloud droplets, which have a negligible fall velocity and thus float within the cloud, and larger raindrops, which fall out of the cloud. It is less clear how to treat the ice phase, because even pristine ice crystals not necessarily remain in the cloud, but may grow to sizes large enough to have a noticeable fall velocity and leave the cloud. Nevertheless, most GCMs including ECHAM6-HAM treat the ice phase analogously to the liquid phase and separate smaller ice crystals from larger snow flakes. In November 2012, a workshop on the parameterization of clouds in numerical models held at the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) recommended with highest priority that ice and snow species should be combined into one species. This recommendation arises because the separation into ice crystals and snow flakes is an artificial distinction of unnecessary complexity and possibly a source of model biases in terms of precipitation intensity and distribution. Therefore I am proposing to simplify the parameterization of ice microphysics in the ECHAM6-HAM GCM by combining ice and snow into a single ice phase category for both stratiform and convective clouds. The improved ECHAM6-HAM GCM will be coupled to Max Planck Institute Ocean and sea-ice Model (MPIOM) to conduct simulations of the future climate. We will investigate the cloud response to global warming and possible feedbacks involving Arctic clouds and sea ice.
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