Räumlich-zeitliche Variabilität von Schwerewellen-Quellen (SV)

PIs:
Peter Preusse, Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich
Manfred Ern, Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich
Ulrich Achatz, Goethe-Universität Frankfurt
Gergely Bölöni, Goethe-Universität Frankfurt

PhDs/PostDocs:
Isabell Krisch, Cornelia Strube, Forschungszentrum Jülich GmbH, Dr. Young-Ha Kim, Goethe-Universität Frankfurt

Zusammenfassung

Das Projekt Quellvariabilität (Source Variability; SV) hat das Ziel zu verstehen wie Schwerewellenquellen zur globalen Verteilung von Schwerewellen beitragen. Hierfür kombinieren wir Beobachtungen und Modellierung: Beobachtungen bilden den Bezug zur Wirklichkeit. Um Vertständnis zu erzielen, benötigen wir Theorie, und für quantitatives Verständnis, ein Prozessmodell das gegen die Daten getestet wird. Numerische Modellierung ergänzt Informationen, die sich nicht aus der Messung abgeleiten lassen.

Daher werden globale Verteilungen aus drei Datenquellen verglichen: 1.) Eine Kombination von dedizierten Modellen für Schwerewellenquellen mit Modellen für die Ausbreitung von Schwerewellen, 2.) Schwerewellen, die in UA-ICON (siehe GWING) explizit aufgelöst werden und 3.) Fernerkundungsdaten verschiedener Satelliten. Modellergebnisse von Quellen und Ausbreitung werden Messungen gegenübergestellt und so freie Parameter der Modelle bestimmt. Umgekehrt lässt sich anhand der Modelldaten bestimmen, in welchen Regionen und Höhenbereichen, bzw. zu welchen Jahreszeiten Schwerewellen aus welchen Quellen für den Impulsfluss und für die Beschleunigung, die auf die Zirkulation ausgeübt wird, überwiegen. Je feiner das Modellgitter wird, desto größer wird der Teil des Schwerewellenspektrums, der von ICON aufgelöst wird. Ob die aufgelösten Schwerewellen tatsächlich realistisch sind, wird durch Vergleich mit Satellitendaten überprüft. Schwerewellenquellen in ICON lassen sich identifizieren, indem die Wellen anhand von Strahlverfolgung zu potentiellen Quellprozessen zurückverfolgt werden oder indem man mit Modellierung von Wellenquellen vergleicht. Mögliche Abweichungen der in ICON aufgelösten Schwerewellen von den Beobachtungen lassen sich so diagnostizieren und Ansätze für eine verbesserte Repräsentation entwickeln. Ein besonderer Schwerpunkt wird das Studium der Wechselwirkung von spontanem Ungleichgewicht (spontaneous imbalance; SI) und Orographie für die Anregung von Schwerewellen anhand von 3D Temperaturmessungen mit GLORIA sein (http://gloria.helmholtz.de/ ). Ziel von SV ist, für jede Auflösung von ICON die Effekte von Schwerewellen möglichst korrekt zu beschreiben. In der ersten Phase von SV haben wir unsere Datenbasis, die traditionell insbesondere auf Infrarothorizontsondierung aufbaut, um neuartige 3D Analysen von Nadirbeobachtungen des Satelliteninstruments AIRS erweitert (siehe Abbildung 1). Ein Quellmodell für Schwerellen aus mesoskaligen Konvektionsclustern (Mesoscale Convective Complex; MCC) wurde anhand von Fernerkundungsdaten angepasst. Die so gewonnenen Modellparameter wurden verwendet, die globale Verteilung von Schwerewellen im Jahresverlauf besser zu verstehen. Außerdem wurde die Rolle von Schwerewellen in Stratosphärenerwärmungen anhand von Satellitendaten untersucht. Erste Vergleiche von ICON bei relativ niedriger Auflösung (ca. 40km Gitterpunktsabstand) mit Satellitendaten zeigen eine generelle Übereinstimmung der wichtigsten Strukturen, aber auch Abweichungen insbesondere in Regionen, wo Konvektion die wichtigste Quelle ist.. In der zweiten Phase werden wir unsere Arbeiten zum Verständnis der Quellen und ihres Beitrags zur globalen Verteilung fortsetzen, aber einen besonderen Schwerpunkt auf die Variabilität von Schwerewellen legen. Das Projekt SV schließt für MS-GWaves das übergeordnete Ziel, realistische Schwerewellenquellen in ICON zu integrieren. Hierzu verwenden wir das in 3DMSD entwickelte Ausbreitungsmodell MS-GWaM, das in der Lage ist transiente Wechselwirkungen mit dem Hintergrund zu beschreiben.

 

Abb 1: Ein Beispiel für eine beobachtete globale Verteilung sind die hier gezeigten Karten der Schwerewellenamplitude und des Impulsflusses für Januar 2009, 36km Höhe (Resultat der ersten Phase von SV). Mit Hilfe von in Juelich entwickelten Retrieval-Verfahren lassen sich aus Nadir-Beobachtungen des Satelliteninstruments AIRS 3D Temperaturverteilungen ableiten. Für vertikale Wellenlängen größer 12km und horizontale Wellenlängen größer 40km können Amplituden und 3D Wellenvektor bestimmt werden. Hieraus werden Impulsfluss-Vektoren und Nettoflüsse des Impulses bestimmt. Der zonale Impulsfluss ist dem vorherrschenden Wind entgegengerichtet: westwärts im Bereich des polaren stratosphärischen Wirbels auf der Nordhemisphäre (d.h. im Winter) und ostwärts im Subtropenjet. Im polaren Wirbel wird die Struktur durch eine starke globale Welle 2 sowie lokale Quellen - insbesondere Gebirge – bestimmt. In den Subtropen (20°S) entsprechen Schwerpunkte der Schwerellen Regionen verstärkter Konvektion. Abb. nach Ern et al. (2017).

 

Veröffentlichungen