SPECS - SPEctral Cloud microphysicS model

SPECS ist ein spektrales Wolkenmikrophysik-Modell. Die Aerosol-, Tropfen- und Eispartikel-Größen- bzw. Massenspektren werden in feste Größenklassen unterteilt (Abb. 1). Die Lineare Diskrete Methode (LDM, Simmel et al., 2002) wird verwendet um die mikrophysikalischen Größen in das feste Massengitter einzusortieren. Die verschiedenen mikrophysikalischen Prozesse werden möglichst explizit berechnet. Vorhersagegrößen sind die Anzahl-, Flüssigwasser-, Eis- und Aerosolmassenmischungsverhältnisse.

SPECS wurde kontinuierlich weiterentwickelt und verfeinert. So wurde die Entstehung von flüssigen Tropfen, deren Interaktion mit Wasserdampf (Kondensation, Verdunstung) und deren Kollisionsprozesse innerhalb einer Wolke in einem diskreten Spektrum beschrieben (Simmel et al., 2002; Simmel and Wurzler et al., 2006). Diese Entwicklungsstufe des Modellsystems wurde erfolgreich für die Simulation niedriger orographischer Wolken angewendet (Simmel et al., 2005). Mit der Beschreibung von Immersions- und Kontaktgefrieren (Diehl et al., 2006, 2007) wurden wichtige Prozesse für die Entstehung von Wolkeneis eingeführt. Zu diesem Zweck wurde ein zweites diskretes Spektrum für Eispartikel implementiert und die entwickelte Beschreibung der Gefrier- und Schmelzprozesse vermittelt zwischen dem Spektrum für flüssige Tropfen und dem für Eispartikel. In den letzten Jahren wurde die Beschreibung der Eismikrophysik weiter verfeinert (Simmel et al., 2015). SPECS ist damit ein umfassendes Modell der Wolkenmikrophysik, mit dem insbesondere Untersuchungen zur Bedeutung von Aerosoleigenschaften für die Entstehung von Wolkentropfen, Wolkeneis und letztendlich Niederschlag ermöglicht werden. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Beschreibung von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen, z. B. der Entstehung von Wolkentropfen an sogenannte Kondensationskeime (CCN, engl.: cloud condensation nuclei) und das durch bestimmte Aerosolpartikel, sogenannte INP (engl.: ice nucleating particles), ausgelöste Gefrieren von Wolkentropfen (siehe auch Wolkenmikrophysik). Z. B. zeigen Abb. 3 und 4 eine deutlich ausgeprägtere Mischphase mit COSMO-SPECS, in der Wolkentropfen und Eispartikel koexistieren, und weniger Niederschlagsbildung.

SPECS kann in unterschiedliche dynamische Antriebe eingebettet werden. Ursprünglich als reines Boxmodell entwickelt kann SPECS auch innerhalb von Luftpaketmodellen für idealisierte Fälle angewendet werden (konstante Aufwindgeschwindigkeit, konvektiver Antrieb, Trajektorie aus Orographie oder 3D-Modellen, abgeleitet aus Aufwindmessungen, ...). Zusätzlich wurde SPECS an das meteorologische Vorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes COSMO (früher LM, heute ICON) gekoppelt (Grützun et al., 2008). Mit COSMO-SPECS können die Rückkopplungen auf die Dynamik der im Vergleich zu COSMO komplexeren Beschreibung der Wolkenmikrophyisk durch SPECS untersucht werden. Des Weiteren ermöglicht das Modellsystem die Simulation realistischer Szenarien, was zur Begleitung von Feldkampagnen genutzt werden kann (Abb. 3 & 4).