Schwerewellen und Turbulenz während der MaCWAVE / MIDAS-Kampagne im Nordsommer 2002

Bereits im Institutsbericht 2002/2003 wurde ausführlich über Wind-, Temperatur- und Turbulenzmessungen in Andøya (Nordnorwegen) während der MaCWAVE/MIDAS-Kampagne berichtet.

Dabei ergaben sich für den Sommer 2002 außergewöhnliche Resultate im Vergleich zu Messungen vorheriger Jahre. In einer Modellstudie konnten wir diese Anomalien zumindest qualitativ auf eine hohe Rossby- Wellenaktivität in der südlichen Tropo- und Stratosphäre im Südwinter 2002 zurückführen. Unsere Erklärung war, dass der durch Rossby-Wellen abgeschwächte Polarnachtjet der südlichen Hemisphäre eine Absenkung der Schwerewellenbrechung und damit der Sommer-Winterpolzirkulation bewirkt. Diese Absenkung ist hemisphärenübergreifend, d.h. sie zieht sich bis in die nördliche Sommermesosphäre. Durch die Absenkung der Sommer- Winterpolzirkulation werden Änderungen des Zonalwindes (und damit der Temperaturstruktur) erzwungen, die auch in der Sommermesosphäre eine Absenkung der Schwerewellenbrechung zur Folge haben. Dieser Mechanismus der Hemisphärenkopplung kann qualitativ die Messungen erklären, er unterschätzt jedoch die gemessenen Anomalien bei weitem. Seine Unzulänglichkeit beruht nicht zuletzt auf der Annahme einer global konstanten Schwerewellenquelle.

Abb. 1: Juliklimatologie aus einer Simulation mit KMCM bei verstärkter thermischer Anregung planetarer Rossby-Wellen in der südlichen Tropopshäre. (a) Temperatur (Konturlinienabstand 20 K). (b) Zonalwind (Konturlinien ± 20, 40, 60 m/s). (c) Meridionalwind (schwarze Konturlinien für −2, 4, 6, 8, 10 m/s) und residuelle Massenstromfunktion (weiße Konturlinien für ± 0.01, 0.1, 1, 10, 100 × 109 kg/s). (d) Turbulente Dissipation (Konturlinien 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 6, 8 K/d). Helle und dunkle Schattierungen markieren jeweils positive und negative Werte.

Um den Einfluss einer möglichen Anomalie der Schwerewellenquellen im Nordsommer 2002 abzuschätzen, haben wir die Modellstudie mit der in den Berichten 40 und 41 beschriebenen neuen Version des Modells KMCM wiederholt, womit eine selbstkonsistente Simulation der troposphärischen Schwerewellenquellen gewährleistet wird. Diese neue Modellstudie ist in einem Artikel von Becker & Fritts (2006, Ann. Geophys., im Druck) im Detail beschrieben.

Abb. 1 zeigt als Referenz die Juli-2002-Klimatologie von KMCM am Beispiel der zonalen und zeitlichen Mittel von Temperatur, zonalem Wind, meridionaler Zirkulation und turbulenter Dissipation.

Abb. 2 zeigt die entsprechenden Differenzenfelder, die man erhält, wenn man die Modell-Klimatologie für normale Julibedingungen von der für ”Juli-2002-Bedingungen“ subtrahiert. Beide Simulationen unterscheiden sich lediglich in der thermischen Anregung planetarer Rossby-Wellen in der tropischen und südlichen Tropopshäre, welche jeweils auf ”normale Julibedingungen“ und ”Juli-2002-Bedingungen“ angepasst wurden. Betrachtet man die Differenzen bei etwa 60° N, so beschreiben diese zufriedenstellend die Unterschiede in den Sommermessungen aus dem Jahr 2002 und aus vorherigen Jahren (Abb. 3). Insbesondere wird eine deutliche Absenkung der meridionalen Zirkulation und der turbulenten Dissipation in polaren nördlichen Breiten vom Modell wiedergegeben. Diese Absenkung resultiert in der Simulation aus der selbstkonsistenten Simulation verstärkter Schwerewellenquellen für ”Juli-2002-Bedingungen“. Dabei zeigt sich, dass die globale Dissipation aufgrund des Lorenzschen Energiezyklus’ von 1.85 W/m² bei normalen Julibedingungen bis auf 2.3 W/m² bei ”Juli-2002-Bedingungen“ ansteigt. Die damit einhergehenden größeren Schwerewellenamplituden führen in polaren sommerlichen Breiten der Mesosphäre zu einer verstärkten Wellendämpfung in tieferen Schichten.

Abb. 2: Differenzfelder der Juliklimatologien von KMCM bei 2002- und normalen Bedingungen. (a) Temperatur (Konturlinien ± 2, 4, 8, 16, 32 K). (b) Zonalwind (Konturlinien ±2, 4, 8, 16 m/s). (c) Meridionalwind (Konturlinien ± 1, 2 m/s. (d) Turbulente Dissipation (Konturlinien ± 0.5, 1, K/d). Helle und dunkle Schattierungen markieren jeweils positive und negative Differenzen.
Abb. 3: Messungen des IAP von Temperatur, Zonalwind, Meridionalwind und turbulenter Dissipation über Andøya im Sommer 2002 (rot) und in Sommern vorangegangener Jahre (blau). Die Details sind in einer Sonderausgabe von GRL (2004) über die MaCWAVE-MIDAS-Kampagne beschrieben.

Abb. 4 illustriert dies anhand der simulierten kinetischen Energie und des vertikalen Impulsflusses der Schwerewellen. Die Anomalien dieser Felder zeigen im Höhenbereich um etwa 0.03 hPa (ca. 70 km) und polwärts von 60° N Verstärkungen von etwa 25 und 15 Prozent (Abb. 4c, d). In ca. 85 km (0.003 hPa) nimmt der Impulsfluss dagegen für ”Juli-2002-Bedingungen“ gegenüber dem Fall ”normaler Julibedingungen“ ab. Dieses Verhalten entspricht einer Absenkung der Impulsdeposition bei gleichzeitiger Verstärkung. Die Hemisphärenkopplung kann eine solche Verstärkung nicht erklären. Ihr Einfluss schwächt sich zudem zum Sommerpol weithin ab. Verstärkte Schwerewellenquellen in der Troposphäre, wie sie in der Simulation mit ”Juli-2002- Bedinungen“ auftreten, ergeben darüber hinaus Schwerewellen-Temperaturfluktuationen in der Mesosphäre, die quantitativ mit entsprechenden Messungen konsistent sind (Abb. 5). Die hier beschriebene Anwendung des Modells KMCM zeigt, wie großskalige klimatische Veränderungen in der Troposphäre (hier veränderte planetare Rossby-Wellen) sich dynamisch in der oberen Mesophäre abbilden, und zwar über die Kopplung der atmosphärischen Schichten durch interne Schwerewellen. Die Schwerewellenanregung selbst ist eng mit der Aktivität großskaliger Wellen und dem Lorenzschen Energiezyklus verknüpft. Nachzuprüfen bleibt, ob im Nordsommer 2002 tatsächlich eine verstärkte Schwerewellenaktivität ab der oberen Troposphäre vorgelegen hat.

Abb. 4: Kinetische Energie und vertikaler Fluss von zonalem Impuls durch Schwerewellen in permanenten Julisimulationen mit KMCM. (a), (b) Kinetische Energie und Impulsfluss der Schwerewellen bei ”Juli-2002-Bedingungen“. Die Konturintervalle sind 50 (5) m²/s² und 1 (0.04) m²/s² oberhalb (unterhalb) 1 hPa. (c), (d) Entsprechende Differenzfelder relativ zur Simulation bei normalen Julibedingungen Die Konturintervalle sind 25 (2.5) m²/s² und 0.5 (0.02) m²/s² oberhalb (unterhalb) 1 hPa. Helle und dunkle Schattierungen markieren jeweils positive und negative Werte.
Abb. 5: Durchgezogene Linien: Beobachtete relative Temperaturvariation durch Schwerewellen über Andøya im Sommer 2002 (rot) und in Sommern früherer Jahre (blau). Gestrichene Linien: Mit KMCM simulierte relative Temperaturvariation durch Schwerewellen in 70° N für ”Juli-2002-Bedingungen“ (rot) und normale Julibedingungen (blau).

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