Multiskalen Dynamik von Schwerewellen (MS-GWaves): Spontanes Ungleichgewicht (SI)

PIs:
Uwe Harlander, Brandenburg Technische Universität, Cottbus-Senftenberg (BTU)
Ulrich Achatz, Goethe Universität Frankfurt, Frankfurt/Main (GUF)
Christoph Zülicke, Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik, Kühlungsborn (IAP)


Postdoktoranden und Doktoranden:
Elena Gagarina (GUF), Lena Schoon (IAP), Fabienne Schmid (GUF), Costanza Rodda (BTU), Ion Borcia (BTU); Olga Kaiser (USI); Joran Rolland (GUF), Steffen Hien (GUF)


Zusammenfassung

Bild 2: Barokliner Tank mit atmosphärenähnlicher Konfiguration N/f>1

 Schwerewellen (GWs) sind zu kleinskalig, um in den heutigen Wetter- und Klimamodellen aufgelöst zu werden. Sie müssen daher parameterisiert werden, da sie einen starken Einfluss auf die Dynamik der großen Skalen haben. Parameterisierungen existieren für orographisch und konvektiv erzeugte GWs, während für die GW-Quellen entlang großskaliger Jets noch keine etablierte Parameterisierung vorliegt. Die Quellen resultieren aus einer spontanen Imbalance (SI) der großskaligen quasi-geostrophischen Strömung. Die Untersuchung von Schwerewellenabstrahlung durch SI ist schwierig, da die GWs in ein sehr komplexes zeitabhängiges Strömungsfeld eingebettet sind, mit einer großen Zahl von interagierenden Prozessen. Auch die Validierung von Parameterisierungen wird dadurch erschwert. Daher kombinieren wir Theorie und numerische Modellierung mit ergänzenden Laborexperimenten. Laborexperimente garantieren eine Reproduzierbarkeit der betrachteten großskaligen Strömungssituation. Die direkte Korrespondenz zwischen den experimentellen Daten und den Modelldaten und die erwähnte Reproduzierbarkeit machen das Laborexperiment zu einem idealen Prüfstand für Parameterisierungen und für die Untersuchung klimarelevanter Prozesse.Das differenziell beheizte rotierende Zylinderspalt-Experiment, welches an der BTU (Brandenburg Technische Universität Cottbus-Senftenberg) aufgebaut und betrieben wird, stellt die Referenzdaten für Benchmark-Simulationen an der GU-F (Goethe Universität Frankfurt) und dem IAP (Leibniz Institut für Atmosphärische Physik, Kühlungsborn) bereit. Dabei stehen Experimente im Vordergrund, die zeigen sollen, welche baroklinen Strömungen eine besonders ausgeprägte GW-Abstrahlung aufweisen. Ergänzend dazu werden idealisierte numerische Simulationen an der GU-F und dem IAP durchgeführt, um die Variabilität der GWs und den Abstrahlungsprozess zu untersuchen. Wichtig ist dabei, einen Zusammenhang zwischen verschiedenen großskaligen Strömungen und der mesoskaligen GW-Quelle herzustellen und diesen Zusammenhang mittels grob aufgelöster Wellenstrahlenmodelle zu validieren. Ziel ist es, eine skalenabhängige SI-Parameterisierung zu konstruieren. Diese Parameterisierung soll mit Hilfe der Labor-Referenzdaten validiert werden. Begleitet wird dies von einer Analyse grob- und feinaufgelöster Daten aus UA-ICON Simulationen. Schließlich soll die Parameterisierung an das Wellenstrahlenmodell MS-GWaM angekoppelt werden, welches in UA-ICON implementiert ist.

Bild 3: Horizontale Temperaturverteilung BTU Experiment.
Bild 4: Horizontale Temperaturverteilung GUF Simulation.

Der Vergleich der Temperaturverteilung des BTU Laborexperiments mit den GUF Simulationen (Bild 5) zeigt eine sehr gute Übereinstimmung für das großskalige, barokline Strömungsregime. Weitere Analysen der experimentell und numerisch gewonnen Datensätze werden derzeit  durchgeführt. Das Hauptaugenmerk richtet sich dabei auf die kleinskaligen Wellenphänomene (IGWs).

Bild 5: Barokliner Strahlstrom und die Position der Linie (rot), die für das entsprechende Hovmöller-Diagramm in Bild 6 zum Zeitpunkt t0 = 0 verwendet wurde.
Bild 6: Hovmöller-Diagramm für die Divergenz entlang des baroklinen Strahlstroms. Die Phasengeschwindigkeit beträgt etwa 0.5 cm/s. Die schwarze Linie zeigt die azimutale Driftgeschwindigkeit des Strahlstroms.

Zum ersten Mal gelang es der BTU, IGWs in einem baroklinen Wellentank experimentell nachzuweisen. Die Wellenstruktur ist in Bild 5 gezeigt, in dem der Teil des baroklinen Strahlstroms gezeigt wird, in dem die höchste IGW Aktivität erwartet wird (siehe Bild 1 und 5). Die Messdaten werden hierbei in dem mit dem Tank co-rotierenden Bezugssystem aufgezeichnet. Da die barokline Welle prograde (vorwärts) propagiert, schneidet Wellenfront die rote Linie in Bild 5  nach etwa 40 Sekunden. Wie in Bild 6 zu sehen ist, propagieren die IGWs schneller als die barokline Welle, deren Driftgeschwindigkeit mit der schwarzen Linie gekennzeichnet ist. Die IGWs werden von der baroklinen Welle emittiert und weisen eine Phasengeschwindigkeit von etwa 0.5 cm/s auf. Nachdem die Front die rote Linie passiert hat, kann keine weitere IGW Aktivität bis zum folgenden baroklinen Wellendurchgang beobachtet mehr werden.

Bild 7: Horizontale Geschwindigkeitsdivergenz des differenziell rotierenden, geheizten Annulus Experiments: a) Nichtlineare Simulation: Es können vier Wellenpakete identifiziert werden (WP1-WP4). b) Tangentlineare Simulation: WP1, WP2 und WP4 können auch im tangentlinearen Modell beobachtet werden.

Neben dem Vergleich zwischen Labor- und Modellexperiment führte die GUF eine detaillierte Analyse der kleinskaligen Wellen im Bereich des baroklinen Strahlstroms durch. Horizontale Querschnitte der horizontalen Geschwindigkeitsdivergenz sind in Bild 7dargestelld. In den nichtlinearen Simulationen können vier Wellenpakete identifiziert werden (WP1-WP4). Die anschließend durchgeführte tangentlineare Analyse deutet darauf hin, dass drei dieser Wellenpakete (WP1, WP2, WP4) von der inneren Annuluströmung abgestrahlt, t, in dem zwischen dem vollen, nichtlinearen Modell (Bild 7 a) und dem zugehörigen tangentlinearen Modell (Bild 7 b) unterschieden wirwerden, während das verbleibende Wellenpaket (WP3) an der inneren Zylinderwand generiert wird. Die Untersuchungen zeigen, dass der balancierte Strömungsanteil einen signifikanten Beitrag zur Schwerewellenabstrahlung liefert.

 

fig8 fig8b

Bild 8: UWaDi Analyse des Annulusexperiments: Horizontale Querschnitte (bei z=3 cm) der Amplituden A in s-1 (links) und der Wellenlängen in cm (rechts). Die Position der vier Wellenpakete (WP1-WP4) ist hervorgehoben.

UWaDi (Unified Wave Diagnostics) wurde vom IAP entwickelt, um die Eigenschaften von Wellenpaketen anhand der horizontalen Geschwindigkeitsdivergenz zu untersuchen. Beispielhaft ist in Bild 8 eine UWaDi-Analyse der rotierenden Annulusdaten (vgl. Bild 7) gezeigt. Für die jeweiligen Wellenpakete (WP1-WP4)  wurden  die Amplituden und Wellenlängen in allen drei Raumdimensionen berechnet. Hierbei können Abschätzungen für die Wellenenergien und Aktivitäten für die verschiedenen Wellenpakete an jedem Gitterpunkt bestimmt werden. Die UWaDi-Analyse zeigt, dass die sich sehr ähnelnden Pakete WP1 und WP3 eine geringfügig unterschiedliche  Orientierung besitzen. WP4 weist eine  vergleichsweise höhere Wellenlänge auf, die auf einen anderen Generierungs- und Propagationsprozess zurückzuführen ist.

Veröffentlichungen 


Weitere Informatione auf der Spontaneous Imbalance Homepage (SI) (eingeschränkter Zugriff)