Schwerewellen in der Atmosphäre

MS GwavesLogo2

Interne Schwerewellen spielen eine wichtige Rolle in der atmosphärischen Dynamik. Sie werden von unterschiedlichen Prozessen in der Atmosphäre ausgelöst und finden sich oft auf einer derart kleinen Skala, dass sie von den gängigen Wettervorhersage- und Klimamodellen nicht aufgelöst werden können. Ihre Auswirkungen jedoch machen sich auf vielen räumlichen Skalen bemerkbar, was zu einer Kombination der Unsicherheiten auf mehreren Skalen (Mehrskalenproblematik) der atmosphärischen Dynamik führt. In den verschiedenen Atmosphärenschichten machen sich unterschiedliche Schwerewelleneffekte bemerkbar:

  • Untere Atmosphäre:
    Es existiert eine Vielzahl von Schwerewelleneffekten in der unteren Atmosphäre. Beispiele sind der Einfluss von kleinskaligen Schwerewellen orographischen Ursprungs auf die prognostizierte synoptischskalike Strömung, was durch entsprechende Formulierungen parametrisiert wird, durch brechende Schwerewellen angeregte Clear-Air Turbulenz, oder der Einfluss von Schwerewellen auf hohe Zirren und polare stratosphärische Wolken.
  • mittlere Atmosphäre:
    Noch direkter als in der unteren Atmosphäre sind jedoch Schwerewelleneffekte in der mittleren Atmosphäre. Die Mesosphäre ist gekennzeichnet durch eine starke Abweichung des Temperaturfeldes vom Strahlungsgleichgewicht. Über die Thermische Wind–Balance überträgt sich dieses Ungleichgewicht  auf die zonalen Winde und bildet den wahrscheinlich am meisten herausragenden Effekt des Brechens von Schwerewellen und des damit verbundenen Eintrags von Impuls und Energie in die Atmosphäre.

Das Ausmaß, in welchem Schwerewellen die Zirkulation in der Mesosphäre kontrollieren, scheint sowohl für die mittelfristige Wettervorhersage als auch für die Klimamodellierung in der Troposphäre von großer Relevanz zu sein. Diese Zirkulation kontrolliert über den Transfer von Flüssen in die unteren Atmosphärenbereiche ("downward control") auch die unteren Schichten. Es gibt in der Tat Anhaltspunkte für die Bedeutung der mittleren Atmosphäre für die langfristige Vorhersage des Winterwetters der Nordhemisphäre. Schwerewellendynamik in der Stratosphäre ist jedoch von nicht minderer Bedeutung. Es konnte gezeigt werden, dass Variationen im orographischen Schwerewellenwiderstand einen direkten Einfluss sowohl auf das Klima der Troposphäre als auch auf die Temperaturvariabilität in der Stratosphäre haben, was wichtige Implikationen für die stratosphärische Ozonchemie mit sich bringt. Schließlich ist die Rolle zu erwähnen, welche die Schwerewellen in der Dynamik großskaliger Wellen spielen, beispielsweise der Quasi–Biennial Oszillation (QBO), einem signifikanten Element der stratosphärischen Variabilität über den Tropen. Aus Beobachtungen weiß man, dass die QBO–Phase den stratosphärischen Polarwirbel im Winter beeinflusst, und über Kopplung nach unten auch das Winterwetter im Oberflächenbereich, z.B. in Europa. Hier könnte sich eine interessante Option für die saisonale Vorhersage ergeben. Bereits heutzutage kann die QBO gut im Bereich von mehreren Monaten vorhergesagt werden, und es gibt Anhaltspunkte, dass verbesserte Modelle eine Vorhersage bis zu einigen Jahren leisten könnten. Die QBO jedoch wird zu mehr als 50% durch Schwerewellen angetrieben.

 

 

Ausführlichere Information (Englisch)