Forschung im HLRN-Verbund 2011

60Der Effekt submesoskaliger Turbulenz auf den Gasaustausch zwischen Ozean undAtmosphäreC. Eden, KlimaCampus, Universität HamburgKurzgefasst• Der Ozean ist auf Raumskalen von 50 - 100 kmund Zeitskalen von Tagen bis Wochen charakterisiertdurch energetische Fluktuationen in Temperatur,Salzgehalt und Geschwindigkeit, den”meso-skaligen Wirbeln”.• Schaut man auf kleinere Skalen von 1 bis 100km – also auf Skalen kleiner als dem sogenanntenRossbyradius der die meso-skaligen Bewegungsvorgängecharakterisiert – begegnet manähnlich energetischen turbulenten Vorgängen,der ”sub-meso-skaligen” Turbulenz.• Die sub-meso-skaligen Fluktuationen unterliegenanderer und zum großen Teil noch schlechtuntersuchter und verstandener Dynamik• Es wird allerdings immer klarer, daß diesub-meso-skalige Turbulenz relevant in deroberflächennahen durchmischten Schichtdes Ozeans, und daher für den Stoff- undWärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre,ist.• Es wird in diesem Projekt eine Parameterisierungfür diesen Effekt entwickelt und in einemrealistischen, hochaufgelösten Modell des Nordatlantikseingebaut.Der Ozean ist auf lateralen Skalen von 50 - 100km und Zeitskalen von Tagen bis Wochen charakterisiertdurch starke Fluktuationen in Temperatur,Salzgehalt und Geschwindigkeit. Dieseseit einigen Jahrzehnten aus Beobachtungsdatenwohlbekannten turbulenten Bewegungsvorgängenennt man ”meso-skalige Wirbel” und können mitsogenannten ”wirbelzulassenden Ozeanmodellen”auch bereits gut simuliert werden (z.B. [1]). Allerdingssind die meso-skaligen Fluktuationen nichtdas Ende des turbulenten Spektrums im Ozean:schaut man auf kleinere Skalen von 1 bis 100 km– also auf Skalen kleiner als dem sogenanntenRossbyradius der die meso-skaligen Bewegungsvorgängecharakterisiert – begegnet man ähnlichenergetischen turbulenten Vorgängen. Währenddie meso-skaligen Fluktuationen aber sehr gutdurch die quasi-geostrophische Approximation beschriebenwerden können, welche seit Jahrzehntensehr gut untersucht und verstanden ist, unterliegendie sub-meso-skaligen Fluktuationen aufden Skalen kleiner als dem Rossbyradius einer anderenDynamik und sind daher auch wesentlichschlechter untersucht und verstanden.Erst in letzter Zeit wurde klar, dass sub-mesoskaligeturbulente Prozesse in der durchmischten,oberflächennahen Schicht des Ozeans wichtigwerden, da sie dort die vertikalen Flüsse vonDichte und gelösten Spurengasen in signifikanterWeise beeinflussen können. Diese Prozessesind damit von großer Bedeutung für z.B. denWärmehaushalt und die zukünftige Kohlenstoffaufnahmedes Ozeans. Sie werden durch geostrophischeund ageostrophische Instabilitätsprozesseerzeugt und beeinflusst, in beckenweiten Ozeanzirkulationsmodellenallerdings gewöhnlich vernachlässigt.Die sub-meso-skaligen Instabilitätsprozesseführen u.a. zu einer Restratifizierung der durchmischtenoberen Deckschicht des Ozeans. Solchein Prozess ist in Fig. 1 anhand einer idealisiertenModellsimulation dargestellt. Ein periodischerKanal mit lateraler Ausdehnung von 2 × 10 km und300 m Tiefe wurde mit einer Ozeanfront in einerDeckschicht über einer stark stratifizierten Schichtinitialisiert. Ein paar Tage nach der geostrophischenAdjustierung bilden sich in der Front wellenartigebarokline Instabilititäten, die mit der Zeitanwachsen, zu einer Abflachung der Front führenund dadurch schliesslich zur Restratifizierung derDeckschicht beitragen. Diese Restratifizierung beeinflusstwiederum stark den Gasaustausch desinneren, stratifizierten Teils des Ozeans mit derAtmosphäre.Um solche sub-meso-skaligen Prozesse und derenKonsequenz auf den Gasaustausch in realistischenOzeanmodellen aufzulösen, sind allerdingsGitterweiten von o(100m) nötig, welche für eine beckenweiteSimulation im Moment und in der nahenZukunft immer noch unerreichbar scheinen. Anderseitserscheinen sub-meso-skalige Prozesse aberrelevant für eine realistische Simulation des StoffundWärmeaustauschs zwischen Ozean und Atmosphäre,i.e. für eine modellbasierte Quantifizierungder gegenwärtigen und zukünftigen Aufnahmewichtiger atmosphärischer Spurengase wie z.B. Kohlenstoff durch den Ozean. Es ist daher einbesseres Verständnis und Repräsentation der submeso-skaligenProzesse in der Deckschicht durcheine geeignete Parameterisierung in den heutigenOzeanzirkulationsmodellen nötig.In diesem Projekt soll daher eine solche Parameterisierungentwickelt und in einem existierenden,realistischen Modell des Nordatlantiks, wel-Geowissenschaften