Einfluss von Schwerewellen auf Eiswolken in der Tropopausenregion (GW-ICE) / Modifikation von Schwerewellen beim Durchtritt durch die Tropopause (GW-TP)

Peter Spichtinger, Universität Mainz; Ulrich Achatz, Goethe-Universität Frankfurt, Andreas Dörnbrack, DLR Oberpfaffenhofen; Rupert Klein, Freie Universität Berlin
Niclas Ehlert, Universität Mainz; Vera Bense, Universität Mainz; Sonja Gisinger, DLR Oberpfaffenhofen; Christopher Pütz, Freie Universität Berlin

Das Projekt GW-TP wird in der zweiten Phase der Forschergruppe durch das Projekt GW-TP ersetzt.

Zusammenfassung GW-ICE:Einfluss von Schwerewellen auf Eiswolken in der Tropopausenregion

Schwerewellen stellen eine wichtige Komponente im Atmosphärensystem dar. Sie beeinflussen den vertikalen Impuls- und Energietransport und tragen damit entscheidend für verschiedene Zirkulationsmuster bei. Schwerewellen entstehen hauptsächlich in der Troposphäre und propagieren dann durch die Tropopausenregion in die höhere Atmosphäre. Dabei werden ihre Eigenschaften zum Teil verändert. Außerdem können sie durch die induzierten Vertikalgeschwindigkeiten einen großen Einfluss auf die Bildung und Entwicklung von Eiswolken in der Tropopausenregion haben. In diesem Projekt soll die Interaktion von Schwerewellen und Eiswolken in der Tropopausenregion untersucht werden. Dabei soll das in der ersten Phase von MS-GWaves entwickelte WKB-Modell durch Wolkenphysik erweitert werden und dann zur Untersuchung der Wechselwirkung Wellen-Eiswolken benutzt werden. Zusätzlich werden schwerewelleninduzierte Eiswolken mit Hilfe eines Large Eddy Simulation (LES) Modells untersucht. Mögliche Rückkopplungen der Eiswolken auf die Tropopausendynamik durch diabatische Effekte werden ebenfalls untersucht. Die Strahlungseffekt der simulierten Eiswolken (WKB Modell oder LES) wird mit Hilfe eines Strahlungstransportmodells abgeschätzt. Damit wird es möglich sein, den Einfluss der Schwerewellen auf Eiswolken und deren Strahlungsbilanz zu untersuchen, mögliche Wechselwirkungen mit der Tropopause abzuschätzen, und genauere Abschätzungen für die Energiebilanz der schwerewelleninduzierten Eiswolken anzugeben.

Zusammenfassung GW-TP: Modifikation von Schwerewellen beim Durchtritt durch die Tropopause

Die Tropopausenregion hat einen großen Einfluss auf vertikal propagierende Schwerewellen. Aufgrund der starken Änderung von thermischer Stabilität und horizontalem Wind in dieser Region können interne Schwerewellen durch die Tropopause propagieren bzw. werden total oder teilweise reflektiert. Zusätzlich treten nicht-lineare Effekte auf, wie z. B. die Erzeugung von Wellen durch dynamische Instabilitäten. Aufgrund dieser Eigenschaften weist die Tropopausenregion eine eigene Dynamik auf, d.h. es wird erwartet, dass Schwerewellen auch Variationen dieser Schicht induzieren können. Allerdings wurden bisher weder systematische Beobachtungen von Wellen in der Tropopausenregion noch diesbezügliche theoretische Studien durchgeführt.

Gerade unsere Kenntnis der Theorie von Schwerewellen in der Tropopausenregion ist noch relativ rudimentär. Daher sind auch solide Parametrisierungen der Propagation von Wellen durch die Tropopause bisher nicht möglich. In diesem Projekt wird nun mithilfe von Beobachtungen, Theorie und hochaufgelösten Simulationen den folgenden Fragestellungen nachgegangen: 

  1. Wie werden vertikal propagierende Schwerewellen an der Tropopause modifiziert und wie wechselwirken sie mit dynamischen Prozessen in der Tropopausenschicht?
  2. Gibt es aus den Beobachtungsdaten Anhaltspunkte für Reflexion, „trapping“ und nicht-lineare Wellenerzeugung und können diese Effekte durch theoretische Untersuchungen und numerische Simulationen bestätigt werden?
  3. Wie interagieren Schwerewellen und Eiswolken in der Tropopausenregion und wie werden Schwerewellen durch diabatische Wolkenprozesse beeinflusst?
  4. Welche Schwerewellenprozesse in der Tropopausenregion sind in großskaligen Modellen bisher nicht repräsentiert und müssen daher neu parametrisiert werden?

Um diese Fragen zu beantworten, werden gezielt Beobachtungsdaten ausgewertet und mit Hilfe von theoretischen Ansätzen und numerischen Simulationen interpretiert. Skalenanalyse und Asymptotik für idealisierte Situationen dienen zum Aufbau eines theoretischen Rahmens. Numerische Simulationen bilden das Brückenglied zwischen Beobachtungen und idealisierten Situationen.

GW-LCYCLE 1&2 und DEEPWAVE – Schwerewellen-Messkampagnen in Skandinavien und Neuseeland (Sonja Gisinger, Andreas Dörnbrack, DLR Oberpfaffenhofen)

Im Rahmen des MS-GWaves Projektes wurden zwischen 2013 und 2016 gemeinsam mit dem BMBF Projekt ROMIC („Role of the middle Atmosphere in Climate“) umfangreiche Feldmesskampagnen in Skandinavien und Neuseeland durchgeführt. In Abstimmung mit den Zielen des MS-GWaves Projektes wurde bei diesen Kampagnen die Anregung, Ausbreitung und Dissipation von Schwerewellen bis in eine Höhe von 90 km mittels flugzeug- und ballongetragener sowie bodengebundener Messungen untersucht.
Das Hauptaugenmerk für das MS-GWaves Teilprojekt GW-TP lag dabei auf den Veränderungen der Schwerewellen bei ihrer Ausbreitung über die Tropopause hinweg. Für den Zeitraum der DEEPWAVE Kampagne wurden die meteorologischen Bedingungen analysiert und die Tropopausen Inversionsschicht (TIL) anhand von ECMWF IFS Analysen und Radiosondenmessungen charakterisiert. Abbildung 1 zeigt dazu Beispielprofile der quadrierten Brunt-Väisälä Frequenz (N²) für einen Zeitraum vom 28. bis 30. Juni 2014 basierend auf Radiosondendaten. Dabei zeigt das Maximum in N² im Bereich von 10 bis 12 km Höhe die TIL und wie stark sie ausgeprägt ist. Es ist klar zu erkennen, dass sich das Maximum in N² im Verlauf der Beobachtungsperiode abschwächt. Das kann man damit erklären, dass Neuseeland zunehmend in den Einfluss eines Troges, also in zyklonalen Einfluss, kam, der bekanntlich in mittleren Breiten zu einem Absinken der Tropopause und zur Abschwächung der TIL führt. Abbildung 2 zeigt die Differenz zwischen dem N²-maximum der TIL und der mittleren N² der Troposphäre als objektives Maß für die Stärke der TIL für die Wintermonate der Südhemisphäre während der DEEPWAVE Kampagne. Um den Einfluss der TIL auf die vertikale Wellenausbreitung zu untersuchen, wurde die zeitliche Entwicklung der TIL Stärke mit den vertikalen Energieflüssen aus WRF Simulationen verglichen. Dabei wurde eine negative Korrelation gefunden, d.h. je stärker die TIL desto weniger Schwerewellenenergie breitet sich in den WRF Simulationen über die TIL in die Stratosphäre aus, was sich durch die deutliche Reduktion des vertikalen Energieflusses zwischen 4 und 12 km Höhe zeigt (Abb. 3).
Der hydrostatische Reflexionskoeffizient, welcher aus der mittleren troposphärischen und der maximalen Brunt-Vaisälä Frequenz an der TIL berechnet wurde [r≈(N_max-N_T)/(N_T+N_max )], erklärt bis zu 36 % (r²*100) der Abnahme des vertikalen Energieflusses. In den WRF Simulationen wurde aber teilweise eine Abnahme von bis zu 77% gefunden, was wahrscheinlich mit nicht-hydrostatischer Wellenreflexion durch die vertikale Windscherung und die erhöhten Stabilität an der TIL erklärt werden kann.

Abbildung 1 Vertikalprofile der Brunt-Vaisälä-Frequent (N²) von Radiosonden während einer Beobachtungsperiode der  DEEPWAVE Kampagne. Die TIL schwächte sich während dieser Periode aufgrund eines an Neuseeland herannahenden Troges ab.
Abbildung 2 Der Unterschied zwischen dem Maximalwert von N² während der TIL und dem troposphärischen Minimum von N² zwigt die Stärke der TIL während  DEEPWAVE Kampagne.
Abbildung 3 Vertikale Energieflüsse der WRF-Modellsimulationen in 4 km (grau) und 12 km (schwarz) Höhe während der  DEEPWAVE Kampagne. (Daten: C. Kruse)

Theoretische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Schwerewellen und der Tropopause (Rupert Klein und Christopher Pütz, FU Berlin)

Unsere Gruppe ist verantwortlich für die theoretische Analyse im GW-TP-Teilprojekt von MS-Gwaves. Der Schwerpunkt liegt auf der Ausbreitung von Schwerewellen durch die Tropopause. Letztere zeichnet sich durch scharfe Veränderungen in der Schichtung und starke Jetwinde aus. Oberhalb und unterhalb der Tropopause ist die Schichtung gleichmäßig. Die Entwicklung der Schwerewellen kann mit den Euler-Gleichungen beschrieben werden. Da diese allerdings nicht analytisch gelöst werden können, müssen wir Annahmen zur Vereinfachung der Gleichungen machen. Die vertikale Ausdehnung der Tropopause ist im Vergleich zur Dichte-Skalenhöhe gering, was eine Rechtfertigung für die Verwendung der Boussinesq-Näherung gibt, die voraussetzt, dass Änderungen der Dichte im Vergleich zu einem Referenzwert klein sind. Wir haben eine Methode entwickelt, um die Transmission von Schwerewellen durch einen begrenzten Bereich ungleichmäßiger Schichtung in einer stationären Atmosphäre zu berechnen. Sie beruht auf einer Näherungslösung der Taylor-Goldstein-Gleichung, die aus den linearisierten Boussinesq-Gleichungen hergeleitet werden kann. Mit dem Verfahren sind wir in der Lage, einen Transmissionskoeffizienten für Schwerewellen zu berechnen, der als das Verhältnis der vertikalen Eenergieflüsse unterhalb und oberhalb des Bereichs der ungleichmäßigen Schichtung definiert ist. Es nutzt die Tatsache, dass ebene Wellen eine Lösung der Taylor-Goldstein-Gleichung für gleichmäßige Schichtung darstellt und modelliert die Atmosphäre als mehrschichtiges Fluid, wobei jede Schicht gleichmäßig geschichtet ist. Die Lösungen werden an den Grenzschichten physikalisch sinnvoll verknüpft, sodass wir einfallende und transmittierte Wellen in Beziehung setzen können, um so den Transmissionskoeffizienten berechnen zu können.

Weiterhin wird der Grenzwert einer immer größer werdenden Anzahl von Schichten untersucht und wir erhalten daraus eine Neuformulierung der Taylor-Goldstein-Gleichung. Diese Gleichung kann nicht analytisch, aber numerisch gelöst werden, was einer Lösung der Taylor-Goldstein-Gleichung entspricht, in der es möglich ist, zwischen den beiden Zweigen der Dispersionsrelation zu unterscheiden, nämlich nach oben bzw. unten wandernde Wellen. Daher sind wir auch in der Lage, einen Transmissionskoeffizienten für eine ungleichmäßige Schichtung aus diesem Verfahren zu berechnen.

Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass die Mehrschichtenlösung quadratisch mit der Anzahl der Schichten in die Grenzwertlösung konvergiert. Die Ergebnisse, die wir für einige Testfälle erhalten, stimmen mit mehreren vorhandenen Ergebnissen überein, geben aber tieferen und allgemeineren Einblick über die Wechselwirkung von Schwerewellen, die sich durch eine ungleichmäßige Schichtung ausbreiten.

Weiterhin gelang es uns, das Verfahren auf vertikal begrenzte Wellenpakete anzuwenden. Für Gauß'sche Anfangsbedingungen, d.h. eine ebene Welle, deren Amplitude durch eine Gauß-Kurve moduliert wird, können wir nicht nur einen Transmissionskoeffizienten berechnen, wir sind auch in der Lage, die zeitliche Entwicklung des Wellenpaketes durch eine mehrschichtige Atmosphäre mit analytisch korrekter Transmission und Reflektion zu visualisieren.

Mathematisch gesehen ist die Idee hinter der Berechnung des Transmissionskoeffizienten von praktischer Bedeutung. Aus den Zwischenschritten kann eine Finite-Elemente-Methode entwickelt werden, um die oben erwähnte Taylor-Goldstein-Gleichung numerisch zu lösen. Es kann gezeigt werden, dass dieses Verfahren recht effizient und genau ist.

Arbeiten an der Universität Mainz (Vera Bense und Peter Spichtinger):

In der ersten Phase haben wir den Einfluss der charakteristischen Eigenschaften der Tropopausenschicht (z.B. Schichtung, Amplitude und Scherung der horizontalen Winde) auf Schwerewellen untersucht. Dazu wurde das Forschungsmodell EULAG in 2D/3D Setups mit einer hohen Auflösung benutzt. Insbesondere der Einfluss einer starken Tropopauseninversionsschicht (TIL) wurde untersucht. Die Propagation von Schwerewellen durch die Tropopausenregion wird entscheidend durch ausgeprägte TILs beeinflusst. Andererseits üben die propagierenden Schwerewellen auch einen Einfluss auf die Tropopausenregion aus und können die Eigenschaften der TIL verändern.

In ersten Untersuchungen wurden monochromatische Wellen durch Überströmung von periodischer Orographie ausgelöst, die dann vertikal propagieren. Die angeregten Wellenlängen wurden in einem „realistischen“ Bereich ausgewählt, auch im Vergleich zu Beobachtungen, welche über andere Teile des Projektes verfügbar waren. Zusätzlich wurden die Eigenschaften der Tropopausenregion variiert. So wurde zum Beispiel die Dicke der Tropopausenschicht und ihre Stratifizierung variiert; dabei wurden auch TILs von unterschiedlicher Stärke untersucht (d.h. große Maxima in der Brunt-Väisälä Frequenz zwischen troposphärischen und stratosphärischen Werten). Auch der Umgebungswind wurde verändert, z.B. die Position eines starken Jets relativ zur Tropopause wurde variiert, die maximalen Windgeschwindigkeiten sowie die vertikale Ausdehnung der Jetregion wurden in verschiedenen Sensitivitätsstudien untersucht.

Wir konnten einige wichtige Ergebnisse zur Propagation von Wellen durch die Tropopause und zu den resultierenden Wellenlängen-Spektren in der Stratosphäre ableiten. Im allgemeinen hängt die Propagation und das resultierende Spektrum stark von den Umgebungsbedingungen ab. Untersuchungen mit einem vorgeschriebene Spektrum von propagierenden Wellen wurden ebenfalls durchgeführt; dabei konnten ähnliche Ergebnisse wie für monochromatische Wellen erzielt werden. Im Moment wird eine idealisierte TIL für systematische Untersuchungen der Propagationseigenschaften benutzt. Dabei werden verschiedene Szenarien im Parameterraum durchgerechnet. In einem weiteren Schritt wurden Simulationen auf der Basis von Beobachtungen aus der DEEPWAVE Kampagne durchgeführt. Im Fall einer sehr stark ausgeprägten TIL konnte eine bevorzugte Wellenlänge identifiziert werden, bei der Wellen gut durch die Tropopause propagieren.  Es sieht so aus, dass Wellen mit einer horizontalen Wellenlänge von ca. 30 Kilometern durch die Tropopause fast ohne Energieverlust propagieren.
In einem speziellen Fall einer moderaten TIL in Kombination mit einer kritischen Sicht (d.h. ue~0m/s) nahe dem Maximum der TIL (Fig. 4) konnten wir sekundäre Wellenerzeugung an der Oberkante der Tropopause beobachten. Tatsächlich scheint die primäre, brechende Welle eine sekundäre transiente Welle in der Stratosphäre auszulösen. Zusätzlich ändern sich die Umgebungsbedingungen (Winde und Temperatur) deutlich. Der kritische Level wandert nach unten und die TIL wird weiter geschärft, d.h. es treten höhere Werte in der Brunt-Väisälä Frequenz (N2, rechtes Bild in Fig. 4) auf. Damit sieht man in diesem Fall eine starke Wechselwirkung zwischen propagierenden Wellen und der Tropopausendynamik (z.B. TIL). In der aktuellen Arbeit untersuchen wir die Interaktion zwischen TIL und propagierenden Schwerewellen in idealisierten Setups, weitere Ergebnisse sind vermutlich innerhalb der nächsten Monate verfügbar (Bense & Spichtinger, in prep.).

Weiterhin wurde die Transmission und Reflektion von vertikal propagierenden Wellen untersucht; diese Ergebnisse wurden mit den theoretischen Arbeiten im Projekt GW-TP-T verglichen, siehe oben. Ähnlich wie in der linearen Theorie konnten wir in Simulationen „Tunneln“ von Wellen, also die Propagation von Wellen durch dünne Schichten erniedrigter Stabilität, beobachten (Pütz et al., submitted).

Abbildung 4: Beispiel  einer Anregung sekundärer Wellen für brechende Wellen bei einem kritischen Wert. (links: Hintergrundwind, Mitte: Vertikalwind, rechts: Schichtung) Les-Simulation mit EULAG
Veröffentlichungen