Deep convective clouds (DCCs) play a crucial role in redistributing latent heat, hydrological cycle and in the radiative budget of our climate system. Therefore, their complex evolution processes are in focus of many studies. Changes in the structure of DCCs can delay the onset of precipitation and alter the albedo of clouds. Knowing where in the cloud and under what circumstances the cloud liquid water droplets start to freeze is an important step to improve climate and weather forecast models. The purpose of this planned study is to characterize the impact of aerosol and thermodynamic conditions on the cloud particle growth. Therefore, ground-based cloud side observation of the reflected solar spectral radiation (near infrared) using an imaging spectroradiometer and measurements of the emitted thermal radiation using an infrared camera will be combined. These measurements will be taken at the Amazon Tall Tower Observatory, in the Amazon forest, Brazil. Here, the campaign will be introduced. / Hochreichend konvektive Bewölkung (deep convective clouds, DCCs) spielt eine entscheidende Rolle bei der Umverteilung latenter Wärme, sowie für den Wasserkreislauf und dem Strahlungshaushalt unseres Klimasystems. Aus diesem Grund stehen ihre komplexen Wolkenbildungsprozesse im Fokus vieler Untersuchungen. Veränderungen in der mikrophysikalischen Struktur der DCCs können das Einsetzen der Niederschlagsbildung verzögern. Darüber hinaus verändern sie die Albedo der Wolke. Das Wissen darüber, wo in der Wolke und unter welchen Umständen die Wolkentropfen beginnen zu gefrieren, ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung von Klima- und Wettervorhersagemodellen. Das Ziel der geplanten Untersuchungen besteht in der Charakterisierung des Einflusses von Aerosolpartikeln und thermodynamischer Bedingungen auf den Partikelwachstum und der Phasenumwandlung in Wolken. Hierzu werden bodengebundene Wolkenseitenbeobachtungen der reflektierten solaren Strahlung (nahes infrarot), aufgezeichnet mit Hilfe eines abbildenden Spektrometers, sowie Messungen der emittierten thermischen Strahlung, detektiert mit einer Infrarotkamera, kombiniert. Die entsprechenden Messungen werden am „Amazon Tall Tower Observatory“ im Amazonas Regenwald in Brasilien durchgeführt. Im folgendem wird die zugehörige Kampagne vorgestellt.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des hochauflösenden Atmosphärenmodells ASAMgpu. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Grobstrukturmodell bei dem gröbere Strukturen mit typischen Skalen von Deka- bis Kilometern in der atmosphärischen Grenzschicht explizit aufgelöst werden. Hochfrequentere Anteile und deren Dissipation müssen dabei entweder explizit mit einem Turbulenzmodell oder, wie im Falle des beschriebenen Modells, implizit behandelt werden. Dazu wurde der Advektionsoperator mit einem dissipativen Upwind-Verfahren dritter Ordnung diskretisiert. Das Modell beinhaltet ein Zwei-Momenten-Schema zur Beschreibung mikrophysikalischer Prozesse. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die verwendete thermodynamische Variable, die einige Vorteile herkömmlicher Ansätze vereint. Im Falle adiabatischer Prozesse stellt sie eine Erhaltungsgröße dar und die Quellen und Senken im Falle von Phasenumwandlungen sind leicht ableitbar. Außerdem können die benötigten Größen Temperatur und Druck explizit berechnet werden. Das gesamte Modell wurde in C++ implementiert und verwendet OpenGL und die OpenGL Shader Language (GLSL) um die nötigen Berechnungen auf Grafikkarten durchzuführen. Durch diesen Ansatz können genannte Simulationen, für die bisher Supercomputer nötig waren, sehr preisgünstig und energieeffizient durchgeführt werden. Neben der Modellbeschreibung werden die Ergebnisse einiger erfolgreicher Test-Simulationen, darunter drei Fälle mit mariner bewölkter Grenzschicht mit flacher Cumulusbewölkung, vorgestellt.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des hochauflösenden Atmosphärenmodells ASAMgpu. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Grobstrukturmodell bei dem gröbere Strukturen mit typischen Skalen von Deka- bis Kilometern in der atmosphärischen Grenzschicht explizit aufgelöst werden. Hochfrequentere Anteile und deren Dissipation müssen dabei entweder explizit mit einem Turbulenzmodell oder, wie im Falle des beschriebenen Modells, implizit behandelt werden. Dazu wurde der Advektionsoperator mit einem dissipativen Upwind-Verfahren dritter Ordnung diskretisiert. Das Modell beinhaltet ein Zwei-Momenten-Schema zur Beschreibung mikrophysikalischer Prozesse. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die verwendete thermodynamische Variable, die einige Vorteile herkömmlicher Ansätze vereint. Im Falle adiabatischer Prozesse stellt sie eine Erhaltungsgröße dar und die Quellen und Senken im Falle von Phasenumwandlungen sind leicht ableitbar. Außerdem können die benötigten Größen Temperatur und Druck explizit berechnet werden. Das gesamte Modell wurde in C++ implementiert und verwendet OpenGL und die OpenGL Shader Language (GLSL) um die nötigen Berechnungen auf Grafikkarten durchzuführen. Durch diesen Ansatz können genannte Simulationen, für die bisher Supercomputer nötig waren, sehr preisgünstig und energieeffizient durchgeführt werden. Neben der Modellbeschreibung werden die Ergebnisse einiger erfolgreicher Test-Simulationen, darunter drei Fälle mit mariner bewölkter Grenzschicht mit flacher Cumulusbewölkung, vorgestellt.