Cloud structures and rain formation in the atmospheric boundary layer

Wechselwirkungen dynamischer, thermodynamischer und mikrophysikalischer Prozesse auf sehr unterschiedlichen raumlichen und zeitlichen Skalen bestimmen sowohl das Erscheinungsbild von Wolken als auch die Niederschlagsbildung. Diese Dissertation untersucht den Einfluss kleinraumiger Variabilitat auf flache Konvektion und auf eisfreie Niederschlagsbildung mithilfe von hochauflosenden, numerischen Simulationen. Zunachst werden Simulationen unterschiedlicher Wolkenregime verwendet, um die Regimeabhangigkeit einer Wolkenparametrisierung, die auf Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen basiert, zu untersuchen. Dabei zeigt sich eine Regimeabhangigkeit in den Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen, die durch eine Anderung in den Schliesungsgleichungen der Wolkenparametrisierung berucksichtigt werden kann. Die neuen Schliesungsgleichungen verwerfen die Annahme einer strengen Antisymmetrie der Aufwinde im Cumulusregime gegenuber den Abwinden im Stratocumulusregime und reduzieren den Fehler der Wolkenparametrisierung im Cumulusregime in A-priori-Tests. Des Weiteren wird zur Untersuchung mikrophysikalischer Prozesse der Niederschlagsbildung ein Lagrangesches Tropfenmodell entwickelt, das alle relevanten Prozesse des eisfreien Regentropfenwachstums explizit simuliert: Akkreszenz von Wolkenwasser, Selbsteinfang von Regentropfen, Verdunstung und Sedimentation. Eine Sensitivitatsstudie ergibt, dass die Bodenniederschlagsmenge und die Regentropfenverteilung von der Darstellung des Selbsteinfangs in dem Lagrangeschen Modell abhangt. Weitere Simulationen zeigen, dass Unsicherheiten in der Formulierung des Lagrangeschen Modells deutlich kleiner sind als die inharenten Unsicherheiten in einer klassischen momentenbasierten mikrophysikalischen Parametrisierung. Eine Untersuchung der Entwicklung der Regentropfenverteilung in einzelnen Cumuluswolken mit dem Lagrangeschen Tropfenmodell ergibt, dass die Form der Regentropfenverteilung von dem Stadium der Wolke in seinem Lebenszyklus abhangt. Existierende Schliesungsgleichungen, die in momentenbasierten mikrophysikalischen Parametrisierungen verwendet werden und die fur starker regnende Wolken entwickelt wurden, sind nicht in der Lage diese Abhangigkeit wiederzugeben. Das Lagrangesche Tropfenmodell ermoglicht auserdem eine Analyse der Wachstumsgeschichte von Regentropfen. Simulationen eines Cumuluswolkenfeldes zeigen, dass die Zirkulation von Regentropfen -- ein Prozess, der in den momentenbasierten mikrophysikalischen Parametrisierungen grosskaliger Modellen nicht dargestellt wird -- in flachen Cumuluswolken weitverbreitet ist und erheblich zum Bodenniederschlag beitragt. Dynamical, thermodynamical and microphysical interactions on vastly different spatial and temporal scales determine the structure of clouds and the formation of precipitation. This thesis investigates the effect of small-scale variability on the representation of shallow clouds in large-scale models and on particle-kinetic processes that lead to the formation of precipitation without the occurrence of ice particles. Using large-eddy simulations of different shallow cloud regimes, a cloud parametrisation for large-scale models that is based on probability density functions is revisited. A regime dependent characteristic behaviour of the probability density functions is found, which can be taken into account by relaxing the strict antisymmetry of the original closure equations and allow cumulus updrafts to be more vigorous than stratocumulus downdrafts. In a priori tests the new set of closure equations reduces the error of the cloud parametrisation for the shallow cumulus regime. To investigate warm rain microphysical processes on a particle-based level, a Lagrangian drop model is developed that explicitly includes all relevant processes for raindrop growth such as accretional growth from cloud water, selfcollection among raindrops, evaporation and sedimentation. A sensitivity study reveals that the amount of surface precipitation and the slope of the raindrop size distribution are sensitive to the representation of selfcollection in the Lagrangian drop model. The uncertainties in the formulation of the Lagrangian drop model are found to be clearly smaller than uncertainties inherent in a bulk rain microphysics parametrisation. The Lagrangian drop model is applied to study the development of the raindrop size distribution in individual shallow cumulus clouds. The shape of the raindrop size distribution depends on the stage of the lifecycle of the cloud and closure assumptions currently used in bulk rain microphysics parametrisations, which have been developed for more heavily precipitating cases, are not able to capture this dependence. Furthermore, the Lagrangian drop model allows us to analyse the growth histories of raindrops. Recirculation of raindrops -- a process that is not represented by bulk rain microphysics parametrisations in large-scale models -- is found to be common in shallow cumulus and to contribute distinctly to the surface precipitation.