Entrainment (Meteorologie)

Luftmasseflüsse einer konvektiven Wolke und ihrer Umgebung.

Entrainment (dt. Lufteinschluss) ist ein Phänomen der Atmosphäre und beschreibt das Einfangen der Luftmasse eines nicht-turbulenten Flusses durch einen turbulenten Fluss. Der Begriff wird typischerweise für das Einfangen einer Luftmasse abweichender Feuchte benutzt, wie z. B. in der Wolkenphysik oder im Fall des Tropischen Wirbelsturms das Einfangen trockener Luft.

Detrainment (dt. Luftentzug) ist der gegenteilige Effekt, wenn Luft einer konvektiven Wolke, meist an der Wolkenoberkante, in die umgebende Luftmasse abfließt.

Hintergrund

Temperatur (T) in Abhängigkeit von der Höhe sowie Einfluss der Entrainment-Rate ( λ {\displaystyle \lambda } ) auf die Höhe der Wolkenoberkante einer Cumulonimbus-Wolke

Entrainment bezeichnet das Einmischen von Umgebungsluft in einen bereits existierenden Luftstrom oder eine Wolke. Die eingemischte Umgebungsluft wird während des Entrainment-Prozesses Bestandteil des Luftstroms bzw. der Wolke. Der Entrainment-Koeffizient ist in der Wolkenphysik eine der entscheidenden Variablen der verbleibenden Unsicherheit von Klimamodellen.[1]

Homogene Mischung ist ein Modell zur Beschreibung des Entrainment-Prozesses. Es wird der Fall angenommen, dass die Zeitskala für die Einmischung von trockener Luft in die Wolke deutlich kürzer als die Zeitskala der Tropfenauflösung ist. Damit würde die trockene, ungesättigte Umgebungsluft weiträumig in die Wolke gemischt, bevor sie Wolkentropfen komplett auflöst. Das Entrainment manifestiert sich in diesem Modell als Verringerung der Wassermasse der Tropfen, ohne dass deren Anzahl reduziert würde.[2][3]

Ein alternatives Modell des Entrainments ist die Inhomogene Mischung. Dabei wird der Fall angenommen, dass die Zeitskala der Tropfenauflösung deutlich kürzer als die Zeitskala der Einmischung von trockener Luft ist. Hierbei werden Wolkentropfen in der Mischungszone komplett aufgelöst, was die Gesamtanzahl an Tropfen der Wolke reduziert.[2][3]

Der Hauptunterschied der beiden Modelle zeigt sich in ihrem Einfluss auf die Wolkentropfen-Größenverteilung. Homogene Mischung ändert die Form der Verteilung, weil der Sättigungsdampfdruck bezüglich großer und kleiner Tropfen unterschiedlich groß ist. Im Fall von Entrainment via Homogener Mischung wird die Wolkentropfen-Größenverteilung schmaler, während sie bei Inhomogener Mischung formgleich bleibt.[2]

Entrainment-Rate

Cumulus-Wolken haben einen bedeutenden Einfluss auf Energie- und Feuchtetransport, und damit auch auf den Niederschlag und das Klima. In großskaligen Modellen müssen Cumulus-Wolken parametrisiert werden. Die Entrainment-Rate ist dabei ein wichtiger Parameter. Henry Stommel leistete Pionierarbeit bei der Erforschung der Entrainment-Rate bei Cumulus-Wolken.[4]

Literatur

  • C. Lu, S. Niu, Y. Liu, A. Vogelmann: Empirical relationship between entrainment rate and microphysics in cumulus clouds. In: Geophys. Res. Lett. Band 40, 2013, S. 2333–2338.
  • C. Lu, Y. Liu, S. Niu: A method for distinguishing and linking turbulent entrainment mixing and collision-coalescence in stratocumulus clouds. In: Chin. Sci. Bull. Band 58, 2013, S. 545–551.
  • C. Lu, Y. Liu, S. Niu, A. Vogelmann: Lateral entrainment rate in shallow cumuli: Dependence on dry air sources and probability density functions. In: Geophys. Res. Lett. Band 39, 2012, S. L20812.
  • C. Lu, Y. Liu, S. Yum, S. Niu, S. Endo: A new approach for estimating entrainment rate in cumulus clouds. In: Geophys. Res. Lett. Band 39, 2012, S. L04802.
  • C. Lu, Y. Liu, S. Niu: Entrainment mixing parameterization in shallow cumuli and effects of secondary mixing events. In: Chinese Sci. Bull. Band 59, Nr. 9, 2014, S. 896–903.
  • C. Lu, Y. Liu, S. Niu: Examination of turbulent entrainment-mixing mechanisms using a combined approach. In: J. Geophys. Res. Band 116, 2011, D20207.
  • F. Burnet, J. L. Brenguier: Observational Study of the Entrainment-Mixing Process in Warm Convective Clouds. In: J. Atmos. Sci. Band 64, 2007, S. 1995–2011.
  • F. Chosson, J. L. Brenguier, L. Schüller: Entrainment-Mixing and Radiative Transfer Simulation in Boundary Layer Clouds. In: J. Atmos. Sci. Band 64, 2007, S. 2670–2682.
  • A. A. Hill, G. Feingold, H. Jiang: The Influence of Entrainment and Mixing Assumption on Aerosol–Cloud Interactions in Marine Stratocumulus. In: J. Atmos. Sci. Band 66, 2009, S. 1450–1464.
  • E. Hicks, C. Pontikis, A. Rigaud: Entrainment and Mixing Processes as Related to Droplet Growth in Warm Midlatitude and Tropical Clouds. In: J. Atmos. Sci. Band 47, 1990, S. 1589–1618.
  • C. A. Pontikis, E. M. Hicks: Droplet Activation as Related to Entrainment and Mixing in Warm Tropical Maritime Clouds. In: J. Atmos. Sci. Band 50, 1993, S. 1888–1896.
  • B. A. Baker: Turbulent Entrainment and Mixing in Clouds: A New Observational Approach. In: J. Atmos. Sci. Band 49, 1992, S. 387–404.
  • I. R. Paluch: The Entrainment Mechanism in Colorado Cumuli. In: J. Atmos. Sci. Band 36, 1979, S. 2467–2478.
  • M. Baker, J. Latham: The Evolution of Droplet Spectra and the Rate of Production of Embryonic Raindrops in Small Cumulus Clouds. In: J. Atmos. Sci. Band 36, 1979, S. 1612–1615.
  • M. B. Baker, R. G. Corbin, J. Latham: The influence of entrainment on the evolution of cloud droplet spectra: I. A model of inhomogeneous mixing. In: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. Band 106, 1980, S. 581–598.

Einzelnachweise

  1. ↑ C. G. Knight, S. H. E. Knight, N. Massey, T. Aina, C. Christensen u. a.: Association of parameter, software, and hardware variation with large-scale behavior across 57,000 climate models. In: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Band 104, 2007, S. 12259–12264.
  2. ↑ a b c P. R. Jonas: Turbulence and cloud microphysics. In: Atmospheric Research. Band 40, Nr. 2–4, 1996, S. 283–306, doi:10.1016/0169-8095(95)00035-6.
  3. ↑ a b C. Lu, Y. Liu, S. Niu, S. Krueger, T. Wagner: Exploring parameterization for turbulent entrainment-mixing processes in clouds. In: J. Geophys. Res. Band 118, 2013, S. 185–194.
  4. ↑ H. Stommel: Entrainment of air into a cumulus cloud. In: Journal of Atmospheric Sciences. Band 4, 1947, S. 91–94.