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

52 Parametrisierung orographischer Schwerewellen
(B. Wolf, E. Becker)
Wegen ihrer Kleingskaligkeit müssen orographische Schwerewellen auch in hochaufgelösten Klimaund
Wettermodellen parametrisiert werden. Denn diese Wellen werden durch die Rauigkeit der
Oberfläche erzeugt, die typische Abmessungen von wenigen bis wenige hundert Kilometer haben.
Während Lee-Wellen evaneszent sind und bereits in der Troposphäre dissipieren, können sich
größerskalige Gebirgswellen über die Tropopause hinaus ausbreiten und sind in globalen Klimamodellen
von großer Wichtigkeit für die residuelle Zirkulation in der nördlichen Winterstratosphäre
und -mesosphäre.
Die relevanten Charakteristika von Gebirgswellen werden in den gängigen Parametrisierungen
quasi-statisch beschrieben. Dabei wird gemäß dem klassischen Ansatz von McFarlane angenommen,
dass eine solche orographische Welle sich zunächst konservativ ausbreitet. In konvektiv instabilen
Regionen, gekennzeichnet durch einen negativen Gradienten der absoluten potentiellen Temperatur,
dissipiert sie. Nach der Sättigungshypothese wird die Amplitude der Welle gerade so gedämpft,
dass sie marginal stabil bleibt. Die Dämpfung selbst wird durch einen turbulenten Diffusionskoeffizienten
beschrieben, der nur auf die lokal parametrisierte orographische Welle wirkt. Auch basieren
bisherige Ansätze auf der Annahme kleiner vertikaler Wellenlängen.
In der für das KMCM neu entwickelten orographischen Schwerewellenparametrisierung haben
wir den klassischen Ansatz von McFarlane in mehrerer Hinsicht erweitert. Zum einen wurde
das Schema sowohl an das Turbulenzmodell des KMCM als auch an die Parametrisierung
nichtorographischer Schwerewellen gekoppelt. Dadurch wird zum Beispiel die Dämpfung orographischer
Schwerewellen durch Grenzschichtturbulenz erstmals berücksichtigt. Zum anderen wurde
die zugrundeliegende, sogenannte WKB-Theorie dahingehend erweitert, dass beliebig lange vertikale
Wellenlängen konsistent berücksichtigt werden können. In ersten Testsimulationen haben wir
den Einfluss der neuen Parametrisierung abgeschätzt. Abb. 52.1 zeigt farbig die Änderungen von
Temperatur und Zonalwind sowie die Änderung des Antriebes der residuellen Zirkulation durch
Rossby-Wellen und nichtorographische Schwerewellen für die nördliche Winterhemisphäre, die sich
durch die Berücksichtigung orographischer Schwerewellen ergeben. Die Temperaturänderung zeigt
ein um die Stratopause zentriertes Quadrupolmuster, welches mit dem entsprechenden Dipolmuster
im Zonalwind thermisch balanciert ist. Diese Muster folgen grob dem veränderten Wellenantrieb
durch Rossby-Wellen und nichtorographische Schwerewellen (Farben in Abb. 52.1c), nicht jedoch
dem auslösenden orographischen Wellenantrieb (schwarze Isolinien in c). Diese nichtlineare Wechselwirkung
der unterschiedlichen Wellenantriebe soll in Zukunft näher untersucht werden.
Abb. 52.1: Modellantwort (Farben) in der nördlichen Winterstratosphäre und -mesosphäre bei Berücksichtigung
orographischer Schwerewellen für (a) Temperatur, (b) Zonalwind und (c) Antrieb der residuellen
Zirkulation durch Rossby-Wellen und nichtorographische Schwerewellen (wave drag). Die Isolinien in a
und b zeigen die Resultate des Kontrolllaufes. Die Isolinien in c zeigen den Antrieb durch orographische
Schwerewellen.
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