Die Bedeutung der internen Schwerewellen für die Zirkulation in den Tropen der Stratosphäre und Mesosphäre

Der mittlere zonale Wind in der troposphärischen unteren Stratosphäre ist geprägt durch das Phänomen der quasi-zweijährigen Schwingung (QBO), die sich aus der quasi-linearen Kopplung der großräumigen äquatorialen Wellen mit dem mittleren zonalen Wind ergibt. Mit größeren Höhen nimmt die QBO ab und die halbjährige Oszillation (SAO) wird bestimmend. Sie ergibt sich aus dem Zusammenspiel von planetaren Wellen, internen Schwerewellen (IGW), der ganztägigen Gezeitenschwingung und dem Jahresgang. Die SAO ist nur oberhalb von 50 km Höhe von Bedeutung. Der Beitrag der IGW ist dabei besonders schwer zu bestimmen, da eine globale Beobachtung derzeit nur schwer möglich ist, aber auch in einer numerischen Modellierung sich erhebliche Schwierigkeiten ergeben.

Im Folgenden untersuchen wir den Einfluss der internen Schwerewellen auf die tropische Zirkulation oberhalb von 40 km Höhe mit dem Zirkulationsmodell KMCM, bei einer vertikalen Auflösung von ~ 550 m. Die physikalischen Parametrisierungen der Modellexperimente sind den Beiträgen 41 und 53 zu entnehmen. In Abb. 1 des vorangegangen Beitrags ist der zonal gemittelte zonale Wind angegeben für das Kontrollexperiment, ein Experiment ”Hyperdiffusion“, für das die IGW weitgehend gefiltert wurden, und für UARS- Satellitenbeobachtungen. Die Experimente sind für Januarbedingungen durchgeführt und beinhalten keine Gezeitenanregung.

Die Übereinstimmung des Kontrollexperiments mit der Beobachtung (Abb. 1b, d) ist insbesondere im Breitenbereich ± 15° um den Äquator gut. So werden der Ostwind in der unteren Stratosphäre, der Westwind im Höhengebiet um 60 km und der darüberliegende Ostwind um 90 km vergleichsweise realitätsnah beschrieben. Aus dem Vergleich mit dem Hyperdiffusionsexperiment (Abb. 1c) ist die Bedeutung der IGW für den zonalen Wind in den Tropen klar zu erkennen. Ohne IGW ist das Modellergebnis von der Stratosphäre bis in die untere Thermosphäre völlig unrealistisch.

Abb. 1: Bilanz der zonal gemittelten zonalen Windgleichung auf der Grundlage der residuellen Zirkulation. (a) zonaler Wind (Isolinienabstand 10 m/s), (b) EPF-Divergenz, (c) Nichtlineare Advektion, (d) Coriolis-Term; Isolinienabstand in (b) - (d) 1 m/s*Tag. Die hellen Linien in (a), (c) bezeichnen die residuelle Stromfunktion für 1, 0.3, 0.1, 0.03, 0.001 x 109kg/s.

Sowohl im Höhengebiet der Stratopause als auch in größeren Höhen der Tropen sind die Amplituden und meridionalen Ausdehnungen der Ost- und Westwindgebiete.

Maßgeblich durch die IGW bestimmt. In Abb. 1 ist die zonale Impulsbilanz für ± 20° Breite um den Äquator gezeigt. Generell resultiert der zonale Wind aus der mittleren nichtlinearen Advektion (Abb. 1c). Diese entspricht wiederum im zeitlichen Mittel dem Residuum des Schwerewellenwiderstand, der die EPFDivergenz im gesamten Höhengebiet von der Stratopause bis zur Mesopause maßgeblich bestimmt (Abb. 1b), und der Corioliskraft aufgrund der residuellen Zirkulation (Abb. 1d). Im Bereich der tropischen Mesopause gewinnen planetare Wellen eine ähnlich große Bedeutung wie die IGW. Ursächliche Zusammenhänge sind schwer anzugeben, da der Wellenwiderstand und damit die residuelle Zirkulation vom mittleren zonalen Wind abhängen. Dennoch ist offensichtlich, dass die zonale Zirkulation in der tropischen Strato- und Mesosphäre in sehr sensibler Weise von einem breiten Wellenspektrum abhängt.

Neben der direkten Simulation der IGW-Impulsdeposition in der Mesosphäre konnte in dem vorliegenden Kontrollexperiment auch eine verbesserte Beschreibung der Trägheitsinstabilität im Stratopausengebiet der Tropen/Subtropen erzielt werden, wie die starke Abnahme des Ostwindes im Hyperdiffusionsexperiment (Abb. 1c) zu realistischen Werten im Kontrollexperiment (Abb. 1b) zeigt. Diese angepasste Beschreibung in den Tropen wirkt sich auch auf die planetaren Rossby-Wellen in der Winterhemisphäre aus und beeinflusst so den Polarwirbel hinsichtlich seiner Lage, Intensität und natürlichen Variabilität.

Die explizite Simulation der IGW führt, wie im Beitrag 41 beschrieben, zur Anregung der 2-Tagewelle, die sich von der polaren Sommermesopause über den Äquator bis in die Subtropen der Wintermesosphäre erstreckt. In äquatorialen Breiten zeigt sich, dass oberhalb der 0.01 hPa-Druckfläche (ca. 80 km) der Wellenwiderstand durch den Beitrag der 2-Tagewelle (zonale Wellenzahl 3) zu einem erheblichen Teil den Schwerewellenwiderstand kompensiert und damit den Ostwind entscheidend bestimmt. Es ist ein interessantes Phänomen in der Kopplung der Höhengebiete, dass die Schwerewellen einerseits die Ursache für die Umkehrung des meridionalen potentiellen Vorticity-Gradienten sind und dass die dadurch induzierten meridionalen potentiellen Vorticitytransporte selbst wiederum die Schwerewellen in ihrer Wirkung auf den zonalen Wind beeinflussen. Dieser Prozesszusammenhang wird einen direkten Einfluss auf die halbjährige Oszillation haben, auch wenn diese hier nicht Gegenstand der Untersuchung ist.

Abb. 2: Intraseasonale Oszillation in der äquatorialen Mesosphäre und unteren Thermosphäre. (a) zonal gemittelter zonaler Wind, (b) EPF-Divergenz.

Die explizite Berücksichtigung der IGW führt in der äquatorialen Mesosphäre und unteren Thermosphäre zu einer Oszillation des zonalen Windes (Abb. 2), mit einer Periode von etwa einem Monat. Man erkennt eine Absenkung des zonalen Windes mit der Höhe, die offenbar angetrieben wird durch die EPF-Divergenz (Abb. 2b). Die Veränderung der EPF-Divergenz mit der Höhe resultiert aus dem Schwerewellenwiderstand und ist im Höhengebiet um 0.001 mb auch beeinflusst durch den quasi-geostrophischen Wellenwiderstand. Intraseasonale Oszillationen von vergleichbarer Periode sind von Eckermann & Vincent (Geophys.Res. Lett., 21, 1994) in der äquatorialen Mesosphäre und unteren Thermosphäre beobachtet worden.

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