Dreidimensionale Mehrskalendynamik von Schwerewellen (3DMSD)

PIs:

Prof. Dr. Ulrich Achatz,Goethe-Universität Frankfurt
Dr. Gergely Bölöni, Goethe-Universität Frankfurt

Prof. Dr. Rupert Klein, Freie Universität Berlin

Doktoranden und Postdocs:

Dr. Junhong Wei, Dr. Georg Sebastian Völker, Goethe-Universität Frankfurt
Dr. Mark Schlutow,
Freie Universität Berlin

Zusammenfassung:
Gegenstand dieses Projekts  ist die asymptotische Mehrskalendynamik der Ausbreitung von Schwerewellen (SW), aufbauend auf einer eigenen nichtlinearen WKB-Theorie und deren methodologischer Weiterentwicklung hin zu einer praktischen Implementierung. Die Theorie soll erweitert werden durch die zusätzliche Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen großskaligen aufgelösten und kleinskaligen parametrisierten Schwerewellen und durch eine Neubetrachtung der Wechselwirkung von Schwerewellen und geostrophischen Moden untereinander und mit der synoptisch-skaligen Strömung. Dies wird ergänzt durch eine verbesserte Behandlung der nichtlinearen SW-Dissipation, und, in Wechselwirkung mit dem Teilprojekt GW-ICE, durch eine skalenabhängige Modellierung der Wechselwirkung von SW und Tropopause. Ergebnis wird eine allgemeine Theorie und numerische Methode für die Vorhersage der Ausbreitung von SW, ihrer Wechselwirkung mit der mittleren Strömung, und ihrer Dissipation sein. Die Ergebnisse werden mittels Large-Eddy-Simulationen (LES) validiert. Die Entwicklungen in diesem Teilprojekt werden direkt Eingang in ein prognostisches SW-Modell (MS-GWaM) finden, das in das SW-erlaubende globale Modell UA-ICON eingebaut wird, welches innerhalb des FOR-Teilprojekts GWING entwickelt wird. Dabei wird an Quellenbeschreibungen angekoppelt, die von den FOR-Projekten SV und SI bereitgestellt werden. In UA-ICON/MS-GWaM wirken die SW auf die großskalige Strömung, aber die Möglichkeit der Nutzung des SW-Modells als diagnostisches Werkzeug wird ebenfalls angestrebt.

 

Abbildung 1: (a)–(c) Zeitliche Entwicklung der normierten Energie (dimensionslos, Abweichung vom Anfangszustand) eines SW-Pakets (grün), der großskaligen Strömung (blau), und die ihre Summe (rot). Hovmöller-Diagramme (d)–(f) der Wellenenergie (kg m2 s(-2)) und (g)–(i) des induzierten mittleren Windes (m s(-1)). (a),(d),(g) LES; (b),(e),(h) SW-Modell; und (c),(f),(i) SW-Modell mit Wellenbrechen (Bölöni et al 2016).

 

Abbildung 2: Ergebnisse einer klassischen SW-Parametrisierung für den Fall in Abb. 1 (Bölöni et al 2016).

 

 Bisherige Hauptergebnisse sind:

      • Die Entwicklung einer allgemeinen Mehrskalentheorie für die Wechselwirkung synoptisch-skaliger Strömung mit mesoskaligen Wellenfeldern. Die Theorie gilt für schwache Schichtung (Troposphäre) und starke Schichtung (Stratosphäre). Sowohl SW als auch mesoskalige geostrophische Bewegungen sind zugelassen, jeweils in Wechselwirkung mit allen höheren Harmonischen. Diese Theorie legt die Grundlage für ein SW-Modell, das in UA-ICON implementiert wird (Achatz et al 2017).
Abbildung 3: Numerische Validierung der analytischen SW-Pakete, mit verschiedenen Skalenseparationsparametern (Schlutow et al 2017, eingereicht).

 

  • Der Nachweis, dass die direkte transiente Wechselwirkung von SW mit großskaliger Strömung in der Dynamik und dem Zerfall von SW-Paketen eine wichtigere Rolle spielt als turbulentes Brechen. Dieser Prozess, vollständig mit unserer Mehrskalentheorie beschreibbar, ist in dem SW-Modell in ICON beinhaltet. Gängige SW-Parametrisie-rungen beschreiben ihn nicht (Bölöni et al 2016, Abb. 1 und 2).

  • Die Untersuchung der Relevanz horizontaler SW-Ausbreitung. Es zeigt sich, dass diese insbesondere in der mittleren und oberen Atmosphäre wesentlich für eine korrekte Erfassung des Einflusses von SW auf die großskalige Strömung ist (Ribstein et al 2015, Ribstein und Achatz 2016).

  • Die Entwicklung asymptotischer Lösungen für SW-Pakete, unter voller Berücksichtigung aller relevanten nichtlinearen Effekte, ihre numerische Validierung (Abb. 3) und die Analyse ihrer Stabilität (Schlutow et al 2017, eingereicht)

Folgende Themen sind gegenwärtig in Bearbeitung:

  • Entwicklung und Validierung einer Theorie für die Parametrisierung sub-mesoskaliger SW in mesoskaligen Modellen (Wilhelm et al).

  • Untersuchungen zur Dynamik dreidimensionaler SW-Pakete in einer rotierenden Atmosphäre (Wei et al).

  • Implementierung eines transienten dreidimensionalen SW-Modells in UA-ICON (Bölöni et al).

 

 

Veröffentlichungen