Zum Jahresgang der nichtmigrierenden ganztägigen Gezeit

Die solaren Gezeiten in der Atmosphäre sind Wellen in allen dynamischen Feldern, die sich mit Perioden von einem Tag (ganztägige Gezeit) oder seinen höheren Harmonischen um den Erdball bewegen. Sie werden durch den Tagesgang der solaren Erwärmung der unteren Atmosphäre und die nachfolgende Ausbreitung der damit angetriebenen Strukturen in die höheren Schichten verursacht. In Bezug zur scheinbaren Bewegung der Sonne werden die Gezeiten in Komponenten unterteilt. Der Anteil, der sich synchron mit der Sonne bewegt, wird als migrierende Gezeit bezeichnet. Alle andere fallen unter die Klasse der nichtmigrierenden Gezeiten. Diese können sowohl stehende Wellen sein, als auch solche mit auf die geographische Länge bezogenen zonalen Wellenzahlen 1,2 usw., die sich sowohl westwärts als auch ostwärts um die Erde ausbreiten. Aufgrund der abnehmenden Dichte der Atmosphäre nimmt das Gezeitensignal nach oben zu, so dass es in der mittleren Atmosphäre einen wesentlichen Anteil der beobachteten Variabilität darstellt. Wegen ihrer Bedeutung für die Interpretation lokaler Gezeitenmessungen (z.B. Grieger et al., J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 64, 2002) ist die Dynamik der nichtmigrierenden Gezeiten ein Hauptthema der gegenwärtigen Forschung zur mittleren Atmosphäre. Eine interessante Frage auf diesem Gebiet ist der Einfluss der quasi-stationären Wellen, d.h. der z.B. topographisch bedingten, zeitlich nur saisonal veränderlichen längenabhängigen Strukturen. Die Wechselwirkung zwischen stationären Wellen und Gezeiten wird in vollständiger Weise in einem allgemeinen  Zirkulationsmodell (GCM) reproduziert. Da aber in solchen nichtlinearen Modellen Ursache und Wirkung nicht eindeutig getrennt werden können, wurde ein lineares Gezeitenmodell entwickelt, das den gesamten Höhenbereich vom Erdboden bis zur Thermosphäre beschreibt. Eine wichtige Neuerung gegenüber anderen veröffentlichten Modellen ist, dass in diesem gleichzeitig der Einfluss der stationären Wellen berücksichtigt werden kann, was durch die Verwendung geeigneter Lösungstechniken für schwachbesetzte lineare Probleme in Kombination mit einem zugehörigen adjungierten Modell gelingt. Mithilfe des linearen Modells wurden Gezeitensimulationen in dem GCM von Volodin und Schmitz (Tellus, 53A, 2001) interpretiert (Grieger et al., J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 2004). Dazu wurden aus einem zehnjährigen saisonalen Lauf des GCMs Monatsmittel für Winde und Temperatur, alle Anteile der Gezeitenheizung, sowie der Gezeiten selbst ermittelt. Für jeden Monat wurde im linearen Modell das diagnostizierte Monatsmittel des GCMs als Referenzzustand verwendet, das dann mit der entsprechenden Gezeitenheizung angetrieben wurde, um so die monatsabhängige lineare Gezeit zu bestimmen. Der Einfluss der stationären Wellen wurde überprüft, indem ihr Anteil in der Referenzatmosphäre in zwei parallelen Rechnungen entweder berücksichtigt oder vernachlässigt wurde. Des weiteren wurde der Gezeitenantrieb in seinen migrierenden und nichtmigrierenden Anteil aufgespalten und jeweils getrennt der Anteil der linearen Gezeit bestimmt, der in separater Reaktion auf einen dieser Anteile entsteht.

Zur besseren Einordnung unserer Ergebnisse in den Beobachtungsbefund wurde zusätzlich im besonderen der Jahresgang der nichtmigrierenden ganztägigen Gezeit in Mesopausennähe untersucht. In allen von uns untersuchten Fällen zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen der aus dem GCM diagnostizierten Gezeit und dem mittels der aus dem GCM diagnostizierten Gezeitenheizung und längenabhängigen Referenzatmosphäre mit dem linearen Modell ermittelten Ergebnis. Dies gilt sowohl für den migrierenden als auch für den nichtmigrierenden Anteil. Als Beispiel ist in Bild 1 für die Anteile W2 (westwärts laufende Welle 2) und O3 (ostwärts laufende Welle 3) der Jahresgang der Amplitude der nordwärts gerichteten Windkomponente bei der Höhe 92,5 km gezeigt. Die Breitenstruktur der Amplituden zeigt eine Konzentration auf die Tropen ähnlich der klassischen migrierenden Gezeit, für die polwärts einer kritischen Breite von +/-30° eine vertikale Ausbreitung der Wellen nicht mehr möglich ist. Hinsichtlich des saisonalen Verhaltens erkennt man die Überlagerung einer Jahres- und einer Halbjahresschwingung, ähnlich dem bekannteren Verhalten der migrierenden Gezeit.

Abb. 1: Der Jahresgang der Amplitude des nordwärts gerichteten Windes bei 92,5 km Höhe in der westwärts laufenden nichtmigrierenden ganztägigen Gezeit mit zonaler Wellenzahl 2 (links) und der ostwärts laufenden Welle 3 (rechts). Gezeigt sind die Ergebnisse aus dem GCM und dem linearen Modell. Einheiten sind m/s. Die blaue Isolinie ist die 10 m/s 1-Kontur (links) und die 5 m/s Kontur (rechts) aus den Analysen von Satellitendaten (UARS) durch Forbes et al. (2003)

Von Interesse ist, dass die gezeigten Jahresgänge auch mit den Beobachtungsanalyse von Forbes et al. (J. Geophys. Res., 108, 2003) gut übereinstimmen (ebenfalls Bild 1). Dort wurden aus Satellitendaten für den Horizontalwind (September 1991 - Dezember 1994) die saisonal abhängigen Amplituden aller nichtmigrierenden Komponenten mit Wellenzahlen < 6 abgeleitet. Es zeigt sich, dass die Komponenten S0 (längenunabhängig), W2, und O3 die größten Anteile liefern. Wie in diesen Daten projiziert auch in den Modellen der W2-Anteil unter den Hough-Moden gut auf den ersten symmetrischen westwärts laufenden Schwerewellen Mode bei Wellenzahl 2, während die O3-Komponente einen Beitrag der ersten antisymmetrischen Kelvin- Mode bei dieser Wellenzahl andeutet. Auch die saisonale Abhängigkeit der beiden gezeigten Gezeitenkomponenten entspricht gut dem Beobachtungsbefund, so dass die Modelle scheinbar wesentliche Aspekte der betreffenden Dynamik erfassen.

Hinsichtlich des Mechanismus der nichtmigrierenden Gezeit zeigt sich für die bisher von uns am ausführlichsten untersuchten Monate Januar und Juli, dass der größte Anteil bereits durch die Wechselwirkung zwischen nichtmigrierender Gezeitenheizung mit dem längenunabhängigen Anteil der jeweiligen Referenzatmosphäre entsteht. In dem betreffenden Antrieb ist der Anteil von größter Bedeutung, der aus der längenabhängigen Kondensation und Konvektion in der Troposphäre stammt. Eine weitere wichtige Komponente in der nichtmigrierenden Gezeit ist allerdings auch die, welche aus dem Antrieb eines Modells mit stationären Wellen mit nur der migrierenden Heizung resultiert. Hier spielt die Absorption solarer Strahlung durch den troposphärischen Wasserdampf die bedeutendste Rolle. Soweit wurde für das untersuchte GCM gezeigt, dass seine Gezeitenklimatologie, die in wesentlichen Aspekten mit Beobachtungen übereinstimmt, gut durch ein lineares Modell reproduziert werden kann, in dem die Analyse von Ursache und Wirkung gegenüber dem GCM wesentlich erleichtert ist. Die Wechselwirkung zwischen nichtmigrierender Heizung in der Troposphäre und dem längenunabhängigen Anteil der Atmosphäre erweist sich als wichtigster Prozess bei der Erzeugung der nichtmigrierenden Gezeiten. Jedoch tragen auch die stationären Wellen merkbar bei. Die Jahresgänge der längenunabhängigen Referenzatmosphäre, der stationären Wellen, der migrierenden Heizung mittels Wasserdampfes, und der nichtmigrierenden infolge Konvektion und Kondensation sollten auch entscheidend für das Verständnis der saisonalen Abhängigkeit der nichtmigrierenden Gezeit als ganzes sein. Dies wird in Zukunft genauer zu untersuchen sein, wobei auch ein Vergleich mit anderen GCMs geplant ist, denn insbesondere die Gezeitenheizung und die planetaren Wellen variieren zwischen verschiedenen Modellen nicht unerheblich. Eine weitere wichtige Aufgabe für die Zukunft ist die Erklärung noch bestehender Unterschiede zwischen Modellen und Beobachtung, wobei auch der Variabilität der nichtmigrierenden Gezeiten Beachtung geschenkt werden sollte.

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