Trägheitsschwerewellen und Rossby-Wellenbrechen über Norddeutschland

In der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre der mittleren Breiten werden ostwärts ausbreitende Rossbywellen beobachtet, die die Dynamik, den Transport und den Austausch in der Tropopausenregion bestimmen. Diese Rossbywellen entstehen aus der baroklinen Instabilität des Grundstroms und breiten sich in Westwindjets aus. In Schwachwindregionen wächst die Amplitude dieser Wellen stark an. In Abhängigkeit von der Anfangsamplitude sowie lokal horizontalen barotropen Windscherungen können die Rossbywellen äquatorwärts oder polwärts brechen. Man klassifiziert das Rossby Wellenbrechen (RWB) in 4 Typen, d.h. äquatorwärts LC1 (stromaufwärts) und LC2 (stromabwärts) sowie polwärts P1 (stromaufwärts) und P2 (stromabwärts) (Peters & Waugh, J. Atmos. Sci., 53, 1996). Während der Ereignisse von RWB können Trägheitsschwerewellen (TSW) erzeugt werden. Sie breiten sich in lokal starken Westwindjets westwärts und vertikal aus. Bei bestimmten Strömungsverhältnissen besteht auch die Möglichkeit, dass sich die TSW bis zur Stratopause und höher ausbreiten können, wenn ein stratosphärischer Polarjet auftritt. Ein Ziel unseres Projektes war die Bestimmung der Struktur der Ereignisse des RWB auf der Basis der EZMW-Re-Analysen (ERA40) über Norddeutschland im Winter, um die Häufigkeit von Ereignissen des RWB und die Lage des Polarwirbelrandes zu bestimmen. Eine Auswertung der RWB-Ereignisse während unserer Winterkampagnen (1999- 2003) zeigte, dass sich Norddeutschland für mehr als 40% der gesamten Wintertage unter ihrem Einfluss befand; deswegen traten in der oberen Troposphäre oft lokalisierte und besonders starke Jets über diesem Gebiet auf. Für 15% der Wintertage wurde ein schwaches P2 und für 15% ein starkes P2 Ereignis von RWB beobachtet. P1 (4%) und LC1 (4%) Ereignisse des RWB traten nicht so oft auf und das LC2 (2%) Ereignis war selten. D.h. für mehr als 30% der Wintertage der 4 Jahre war Norddeutschland unter dem Einfluss von polwärts und stromabwärts brechenden Rossbywellen vom Typ P2. Während ausgewählter RWB Ereignisse wurden am IAP Kühlungsborn 11 umfangreiche Messkampagnen mit etwa 17 Radiosondenaufstiegen (in 3 Stunden Abstand) und kontinuierlichen VHF-Radarmessungen durchgeführt. Unsere Kampagnen umfassen 9 P2 Ereignisse, mit oder ohne Polarwirbel, sowie 2 P1 und 1 LC1 Ereignisse. Kein LC2 Ereignis konnte in die Studie mit einfließen, weil dieses Ereignis sehr selten und wenn dann südlich von Kühlungsborn auftrat.

Abb. 1: Mittlerer zonaler Wind (a) und Temperatur (b) über Kühlungsborn im Winter der Periode 1991-2001 (grün), für die Kampagne K1 (17.-19.12.1999) (rot) und K10 (6.3-8.3.2002) (blau). Mittelwerte sind als durchgezogene Linien und Varianzen als gestrichelte dargestellt.

Das klimatologische Mittel (ERA40 Daten alle 6 Stunden) über 10 Jahre (1991-2001) des zonalen Windes und der Temperatur mit ihren Varianzen sind in der Abb. 1 für Kühlungsborn dargestellt. Der mittlere zonale Wind (Abb. 1a) erreicht 15 m/s in der Tropopausenregion und steigt kontinuierlich bis etwa 70 m/s mit der Höhe an. Die stärksten Varianzen treten in der oberen Troposphäre und obere Stratosphäre auf. Die Tropopause liegt zwischen 9 und 11 km Höhe, aber die mittlere stratosphärische Kältepunkttemperatur (-67° C) ist in einer Höhe von 25 km anzutreffen, gefolgt von einer starken Zunahme der Temperatur bis zur Stratopause (Abb. 1b). Basierend auf der Dispersiongleichung für TSW kann man feststellen, dass im Mittel im Winter gute Bedingungen für die Ausbreitung subsynoptischer TSW oberhalb der Tropopause über Norddeutschland anzutreffen sind. Der mittlere zonale Wind zeigt während der Kampagne K1 (17.-19.12.1999) einen troposphärischen (~ 40 m/s) und stratosphärischen

Strahlstrom (~ 80 m/s) mit einem Minimum zwischen ihnen von 20 m/s (Abb. 1a), so dass sich subsynoptische TSW vertikal ausbreiten können. Für die Kampagne K10 (6. 8.3.2002) existiert ein vergleichbarer troposphärischer Jet aber kein stratosphärischer, so dass die vertikale Ausbreitung gedämpft wird. Im K1 Fall ist die mittlere Stratosphäre besonders kalt (-77° C) und das Minimum liegt mit 30 km Höhe relativ hoch. Ein weiteres Ziel war die Untersuchung der Anregungsmechanismen und der Ausbreitung von TSW in Verbindung mit Ereignissen von RWB.

Abb. 2: Schema der Trägheitsschwerewellen-Ausbreitung (Erläuterung siehe Text).

Während der Kampagnen bestimmten wir mit Radiosonden die intrinsische und mit dem VHFRadar die Frequenz für einen festen Beobachter und berechneten über die Doppler Verschiebung die horizontale Wellenlänge. Weiterhin wurden die ermittelten Daten mit Standardmethoden analysiert, um die Energiespektren und Phasen zu ermitteln. Eine genauere Untersuchung der Dezember 1999 (schwaches P2 RWB mit Polarwirbel) und der März 2002 (starkes P2 RWB ohne Polarwirbel) Kampagnen zeigte TSW mit 600- 1000 km horizontaler (Lx) und 2-4 km vertikaler (Lz) Wellenlänge sowie intrinsischen Perioden (τ) von 12-14 h. Im Fall K1 ergibt sich folgendes Bild (Abb. 2): Die Wellen werden am troposphärischen Jet durch geostrophische Anpassung erzeugt und breiten sich auf- und abwärts, aber stromaufwärts aus. Bedingt durch den starken Polarwirbel erreichen sie die Stratopause. Mit einem mesoskaligen Modell, dem MM5, modellierten wir auch die beiden oben erwähnten Kampagnen und fanden TSW mit den Parametern: Lx über 500 km; Lz: 2-4 km; τ: 10-13 h (siehe Kap. 50). Eine größere Anzahl von numerischen Experimenten wurde durchgeführt, um die verschiedenen Generierungsprozesse von TSW zu untersuchen. Für einen Lauf ohne Orographie und Feuchte fanden wir lange TSW von Lx=300 km bis 1300 km, was die Anregung durch den troposphärischen Strahlstrom belegt. Es wurde auch gezeigt, dass kürzere Wellen (~ 200 km) durch Orographie und starke Konvektion angeregt werden und sich schneller in der Troposphäre und Stratosphäre ausbreiten. Die Analyse der Trägheitsschwerewellen unter Verwendung von Daten zweier Radarmessungen in Kühlungsborn und Lindenberg für den Zeitraum der Kampagne K1 bestätigt die erhaltenen Resultate (siehe auch Kap.34).

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