Regionale Modellstudien zur Anregung und Ausbreitung von Trägheitsschwerewellen

Trägheitsschwerewellen tragen wesentlich zur Impuls- und Energiebilanz der mittleren Atmosphäre bei. Zum Verständnis dieser Bilanzen ist die Untersuchung der Anregungs- und Ausbreitungsprozesse in der unteren Atmosphäre von großer Bedeutung. Insbesondere sollen Situationen untersucht werden, die durch brechende Rossby-Wellen und den Polarwirbel charakterisiert werden. Das beinhaltet die Verfolgung der Dynamik von den planetaren über die synoptischen bis zu den meso-Skalen. In Fortführung vorangegangener Feldarbeiten (Peters et al., Meteorologische Z., 12, 2003) wurde im Rahmen des IAP-Projekts LEWIZ (siehe Kap. 49) die Kampagne K1 (17.-19.12.1999) modelliert. Dazu wurde das nichthydrostatische "Fifth  generation mesoscale model" MM5 genutzt, das neben einer Vielzahl von physikalischen Optionen auch die Möglichkeit der Verschachtelung verschieden dimensionierter Domänen bietet. Das Ziel besteht in der realitätsnahen Simulation von Trägheitsschwerewellen und der systematischen Zuordnung der generierenden Prozesse. Die Großwetterlage während der Kampagne LEWIZ-K1 ist durch eine polwärts brechende Rossby-Welle gekennzeichnet, an deren von NW nach SO gerichteter Flanke in Tropopausenhöhe (300 hPa) ein intensiver Strahlstrom zu beobachten ist. Der Polarwirbel reicht bis zu 50 hPa herab und induziert ein Starkwindband über Nordeuropa (Abb. 1).

Abb. 1: Horizontalschnitt durch die auf die grobaufgelöste Domäne (∆x = 74 km) projizierten EZMW-Analysen zur Zeit t = 36 h (17.12.1999-12:00) (links: auf dem Druckniveau von p = 300 hPa die Windgeschwindigkeit U (grüne Pfeile bei denen der Abstand von einem Aufpunkt zum nächsten ∆U = 50 m/s entspricht), die Divergenz δ (rot: δ > 2,0 10^-5 1/s, blau: δ < - 2,0 10^-5 1/s) sowie der Wert der Ertelschen potentiellen Wirbelstärke π auf der Isentropen Θ = 320 K (gelb: π > 2 PVU); rechts Wind U und Divergenz δ auf der Druckfläche von p = 50 hPa und für π > 50 PVU auf Θ = 520 K). Die Position von Kühlungsborn ist mit einem roten Kreuz gekennzeichnet.

Das MM5 wurde mit drei verschachtelten Domänen einer Auflösung von 72 / 24 / 8 km in der Horizontalen und 0,75 / 0,25 / 0,10 km in der Vertikalen aufgesetzt, die ein Gebiet von ca. 7000 km x 5000 km abdecken. Zum Vergleich der Beobachtungen mit den Simulationen wurden Profile von Wind und Temperatur zum gleichen Zeitpunkt und Ort herangezogen. Die nach dem Abzug eines angepassten Polynoms vierter Ordnung erhaltenen Varianzen zeigen, dass mit dieser Konfiguration 50 - 90 % der beobachteten Fluktuationen modelliert werden. Aus der Auswertung der Autokovarianzfunktion der Divergenz finden wir Strukturen im Bereich von 100 - 500 km horizontaler Wellenlänge, 2 - 6 km in der Vertikalen und 3 – 11 h intrinsischer Periode. Mesoskalige Wellen treten zwar am häufigsten auf, aber eine Untersuchung der totalen Wellenenergie ergibt, dass die sub-synoptischen Wellen (500 km, 4 km, 10 h) mit ca. 6 m2 s-2 gegenüber dem mittleren Wert von ca. 2 m2 s-2 am energiereichsten sind. Ein Schnappschuss aus dem Modelllauf zeigt (Abb.50.2), dass sich am divergenten Austrittsgebiet des troposphärischen Strahlstroms bei etwa 50 – 55° N / 5 – 15° E bevorzugt Trägheitsschwerewellen ausbilden, was mit der geostrophischen Anpassung der unbalancierten Strömung und der stromaufwärts gerichteten Ausbreitung erklärt werden kann. Weitere Quellen von Trägheitsschwerewellen sind Gebirge (Skandinavien, Schottland und Island) sowie hochreichende Konvektion.

Abb. 2: Horizontalschnitt durch die hochaufgelöste Domäne (Δx = 8 km) der MM5-Simulation zurzeit t = 36 h (17.12.1999-12:00 UTC) - ansonsten gleiche Darstellung wie für Abb. 1

Der Zusammenhang zwischen Windfeld und Wellenergie wird aus der folgenden Abb. 3 ersichtlich: Die Anwesenheit des Polarwirbels ist mit einer Ausweitung des Starkwindgebietes über das Tropopausenniveau nach oben verbunden. Ab der simulierten Zeit t = 60 h (18.12.1999- 12:00 UTC) sind in der Stratosphäre durchgängig Windgeschwindigkeiten größer als 20 ms-1 zu finden. Für eine Welle, die am Strahlstrom mit 35 ms-1 Geschwindigkeit generiert wurde und ihm mit 15 ms-1 entgegenläuft, ist das gerade der Wert der kritischen Linie.

Abb. 3: Hovmöller-Diagramm an der Position Kühlungsborn für die Windgeschwindigkeit (links, Konturen 5 m/s) und die Wellenenergie (rechts, Konturen 1 m²/s²). Die Kreuze sind an den Höhen / Zeiten eingetragen, zu denen MM5-Daten einer statistischen Analyse unterzogen wurden.

Eine Reihe von idealisierten Modellläufen war dem Einfluss der verschiedenen Anregungsmechanismen gewidmet. Für diese Kampagne stellte sich heraus, dass der troposphärische Strahlstrom und die damit verbundenen Frontensysteme ca. 75% der Wellenenergie verursachen, während Konvektion und Orographie den restlichen Teil liefern. In dieser Untersuchung wurde gezeigt, dass sich das MM5-Modell zur realitätsnahen Simulation von Trägheitsschwerewellen eignet. Ihre Anregung und Ausbreitung konnte in gezielten Studien den relevanten Prozessen wie unbalancierter Strömung, Orographie und tiefer Konvektion zugeordnet werden. Sub-synoptische Trägheitsschwerewellen tragen systematisch mehr Energie als die zahlreicheren mesoskaligen Wellen. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Nord-Atlantische / Nord Europäische Region durch das effektive Zusammenwirken von Generierung durch brechende Rossby-Wellen einerseits und dem Auftreten von Starkwindgebieten in der unteren Stratosphäre andererseits in den Wintermonaten bevorzugte Bedingungen für stratosphärische Trägheitsschwerewellen bietet.

 Seitenanfang