Forschung im HLRN-Verbund 2011

76Polare Luftmassen auf ihrem Weg in die gemäßigten BreitenDarstellung der konvektiven Grenzschicht während Kaltluftausbrüchen in WetterundKlimamodellenM. Gryschka, J. Kampmeyer, Institut für Meteorologieund Klimatologie, Leibniz Universität HannoverKurzgefasst• In polaren Kaltluftausbrüchen gibt der Ozeangroße Wärme- und Feuchtemengen an die Atmosphäreab, sodass ursprünglich kalte undtrockene Luftmassen der polaren Regionen diegemäßigten Breiten (z.B. Europa) wesentlichwärmer und mit Schauerbewölkung erreichen.• In Anbetracht der großen Energiemengen, die ineinem Kaltluftausbruch umgesetzt werden, ist einemöglichst gute Wiedergabe der hierbei stattfindendenAustauschprozesse in Wetter- und Klimamodellenwünschenswert.• Mit turbulenzauflösenden Simulationen werdenhierzu exemplarisch Fälle von Kaltluftausbrüchenmit sehr hoher Auflösung und Modellgebietslängenvon mehreren 100 km Länge gerechnet,sodass die Austauschprozesse im Detail untersuchtwerden können.• Die aus den turbulenzauflösenden Simulationengewonnen Erkenntnisse sollen in sogenannteParametrisierungen der turbulenten Prozesse inKaltluftausbruchsituationen für Wetter- und Klimamodelleeinfließen.In einem polaren Kaltluftausbruch strömtgroßräumig eine sehr kalte und trockene Luftmassevon den Polregionen über den relativ zurLuftmasse warmen Ozean und nimmt dabei vielWärme und Feuchte auf. So erreicht beispielsweiseeine über Grönland ursprünglich trockene Luftmassemit einer Temperatur von −20 ◦ C Europamit einer Temperatur von über 0 ◦ C und nicht seltenmit kräftiger Schauerbewölkung. Der gesamteFluss an Wärme in einem Kaltluftausbruch vomOzean in die Atmosphäre ist von der Größenordnung10 15 Watt. Das entspricht einer Leistung voneiner Million Kohlekraftwerken.In Anbetracht der großen Energiemengen diebei diesem häufig auftretenden Phänomen umgesetztwerden, ist eine möglichst gute Wiedergabeder Austauschprozesse in Wetter- und Klimamodellenerstrebenswert. Nicht zuletzt hängthiervon auch die Güte der Wettervorhersage fürDeutschland bei bestimmten Wetterlagen ab. Beiden Austauschprozessen handelt es sich um turbulenteProzesse, welche auf einer Skala von einigen10 bis einigen 100 Metern ablaufen, sodassdie Austauschprozesse nicht explizit in WetterundKlimamodellen berücksichtigt werden können,sondern parametrisiert werden müssen. D.h. esmüssen Gesetzmäßigkeiten gefunden werden, mitHilfe dessen sich die Austauschprozesse in einemKaltluftausbruch auch ohne expliziter Berücksichtungder Turbulenz beschreiben lassen. Hierzuwerden mittels des turbulenzauflösenden ModelsPALM (Parallelized Large Eddy SimulationModel) hochaufgelöste Simulationen von Kaltluftausbrüchendurchgeführt, sodass die Auswirkungender Turbulenz auf den Wärme- und Feuchteaustauschstudiert werden kann. PALM wurde amInstitut für Meteorologie und Klimatolgie der LeibnizUniversiät Hannover entwickelt und ist für denparallelen Betrieb auf mehreren tausend Prozessorenausgelegt.Quasi jeder polare Kaltluftausbruch geht mit sogenannterRollenkonvektion einher. Hierbei ist dieStrömung spiralförmig in Form von zahlreichen nebeneinanderliegenden Rollen mit horizontaler Rotationsachseorganisiert, wie in Abbildung 1 exemplarischanhand einer Simulation eines Kaltluftausbruchesgezeigt. In Satellitenbildern lässt sich dieserStrömungstyp indirekt anhand von sogenanntenWolkenstraßen erkennen, d.h. in Form von parallelzueinander liegenden Wolkenbändern. Diesebilden sich in den aufsteigenden Ästen zwischenzwei Rollen. Der Abstand zwischen zweiWolkenbändern wächst dabei stromabwärts an, typischerweisevon anfänglich 2 km auf bis zu 8 kmeinige hundert Kilometer stromabwärts.Der Einfluss der Rollenkonvektion auf die turbulentenAustauschprozesse steht im Fokus dergenannten Untersuchungen. Hierzu ist ein tieferesVerständnis der den Rollen zu Grunde liegendenPhysik erforderlich. So sind z.B. die notwendigenBedingungen für das auftreten von Rollen nochnicht vollständig verstanden, wie auch die Wachstumsprozessestromabwärts. Des Weiteren wirdder Einfluss von Feuchte- und Strahlungsprozessenan den Wolken auf die turbulenten Austauschprozessesowie Rollenkonvektion untersucht.In einem Vorgängerprojekt konnten unter denBedingungen eines kräftigen Kaltluftausbrucheserstmals Konvektionsrollen mittels eines turbulenzauflösendenModells simuliert werden, die auchsämtliche wie in der Natur beobachteten Charakteristikenaufwiesen. Es hat sich gezeigt, dass dieStruktur der Eisrandzone einen wesentlichen Einflussauf die Ausbildung von Konvektionsrollen hat.Geowissenschaften