Institutsbericht 2010/2011 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

39 Konzept der effektiven Diffusivität für Schwerewellen
(M. Grygalashvyly, E. Becker, G.R. Sonnemann, A. Kirsch)
Das Konzept der effektiven Diffusivität wurde unabhängig voneinander von Winters und D‘Asaro
(1996, J. Fluid Mech.) sowie Nakamura (1996, J. Atmos. Sci.) eingeführt. Dieses Konzept wurde
für die Diagnostik des horizontalen Transports sowohl in der mittleren Atmosphäre als auch für
ozeanische Ströme entwickelt. In der atmosphärischen Dynamik fand das Konzept insbesondere
für die Analyse der meridionalen Mischung durch Rossby-Wellen Anwendung. Der Einfluss auf die
vertikale Mischung wurde dabei nicht betrachtet. Mittlerweile wurde klar, dass interne Schwerewellen
(GW) einen bedeutenden Einfluss auf den vertikalen Transport von Spurenstoffen haben.
Auf der Basis von Modellrechnungen wurde der Einfluss dieser Schwerewellen auf die wichtigsten
Spurenstoffe in der Mesosphäre/unteren Thermosphäre (MLT-Region) untersucht. Hierbei wurde
gleichfalls das Konzept der effektiven Diffusivität angewendet. Die numerischen Rechnungen wurden
mittels der gekoppelten dynamischen und chemischen Modelle KMCM und MECTM (Kühlungsborn
Mechanistic general Circulation Model und MEsospheric Chemistry-Transport Model)
durchgeführt.
Der direkte Transport von Spurenstoffen durch GW selbst kann als eine vertikale Mischung,
zusätzlich zur residuellen Zirkulation, betrachtet werden. Der entsprechende Wellendiffusionskoeffizient
K wave eines Spurenstoffes ergibt sich als Produkt der kleinskaligen (turbulenten plus molekularen)
Diffusion und dem quadrierten Verhältnis der vertikalen Gradienten des wellenbezogenen
und des mittleren Mischungsverhältnisses. Diesen Koeffizienten haben wir auf Basis der numerischen
Simulation langlebiger chemischer Konstituenten berechnet. Abb. 39.1 zeigt die Ergebnisse
für den 30. Januar anhand von Wasserdampf und Methan, welche als passive Tracer in der MLT-
Region betrachtet werden können. Zum gleichen Resultat kommt man für andere Spurenstoffe in
Bereichen, in denen sie als passive Tracer betrachtet werden können.
Abb. 39.1: Höhen-Breitenschnitt des Wellendiffusionskoeffizienten für Wasserdampf (a) und Methan (b)
für den 30. Januar
Der Diffusionskoeffizient besitzt ein lokales Maximum in hohen sommerlichen Breiten um
75 – 90 km, welches zu dem Maximum der durch GW erzeugten Variation des vertikalen Windes
korrespondiert. Die Höhe des Maximums senkt sich in Richtung sommerlicher mittlerer Breiten,
was ebenfalls konsistent zur Verteilung der kinetischen Energie der GW ist, wie Abb. 39.2 belegt.
Ein lokales Minimum ist in 90 – 95 km Höhe zu erkennen, was auf eine Barriere der vertikalen Mischung
hindeutet. Sekundäre Maxima treten in der Thermosphäre in mittleren und hohen Breiten
in jeder Hemisphäre auf. Diese Maxima entstehen möglicherweise dort, wo die GW nicht vollständig
durch Turbulenz in und unterhalb der Mesopause gedämpft werden.
111