LEIBNIZ-INsTITUT FöUR ATMOsPHöARENPHYsIK e. V. an der ...

25 Der Einfluss planetarer Wellen auf Schwerewellenausbreitung
und die globale Zirkulation der Mesosphäre
(E. Becker, G. Schmitz, H. Körnich)
In Stratosphäre und unterer Mesosphäre wird die residuelle Zirkulation und damit auch
die Temperaturverteilung wesentlich durch die bodennahen Anregungen planetarer Wellen bestimmt
(Becker und Schmitz, 1999). Die Hemisphären übergreifende Querzirkulation der oberen
Mesosphäre und die mit ihr einhergehenden substantiellen Abweichungen vom Strahlungsgleichgewicht
sind dagegen durch das Brechen interner Schwerewellen bedingt. Auch dieser Mechanismus
hängt empfindlich von der Dynamik der Troposphäre ab. Zum einen, da hier die Schwerewellen
angeregt werden, zum anderen beeinflussen die großen Gebirgsketten und warmen Meeresströmungen
als Hauptursachen planetarer Wellen den mittleren Wind in Stratosphäre und
unterer Mesosphäre, und damit auch das Ausbreitungs– und Brechungsverhalten der Schwerewellen.
Über diese vergleichsweise elementare Form der Wechselwirkung der atmosphärischen
Schichten waren Details bislang nur in Hinblick auf stratosphärische Erwärmungen (Holton,
J. Atmos. Sci., 40, 2497, 1984) bekannt.
Man würde erwarten, dass man mit konventionellen Zirkulationsmodellen (GCMs) das Problem
untersuchen kann. Dabei treten folgende Schwierigkeiten auf. So können die meisten GCMs
die planetare Wellenaktivität in der mittleren Atmophäre nicht hinreichend realistisch simulieren
und reichen meist nur bis 80 km Höhe. Auch kann man bei einem vollen GCM die thermische
Anregung planetarer Wellen nicht näherungsweise unabhängig von topographischen Effekten
vorgeben. Wir stützen uns daher auf das von uns entwickelte Kühlungsborn Mechanistic general
Circulation Model KMCM (Becker und Schmitz, 2000).
KMCM ist ein Spektralmodell mit terrainverfolgender Vertikalkoordinate (gegenwärtige Auflösung:
T29 entsprechendend 4 0 × 4 0 , 60 Hybridschichten bis über 100 km) und berücksichtigt
die volle Dynamik eines GCM. Erwärmungsraten aufgrund von Strahlung und Kondensation
werden in idealisierter Form dargestellt, nämlich durch Relaxation auf eine durch die Strahlung
bestimmte Gleichgewichtstemperatur plus vorgegebene Wärmequellen in tiefen Tropen sowie
selbstinduzierte latente Erwärmung über den Ozeanen. Dabei nehmen wir permanente Januarbedingungen
an und vernachlässigen den Tagesgang. Die planetare Grenzschicht wird wie in
konventionellen GCMs parametrisiert. KMCM beschreibt die mittlere Zirkulation und die interne
Variabilität sowie die geographischen Verteilungen von stationären und synoptischen Wellen
weitgehend realistisch, und zwar von der unteren Troposphäre bis zur oberen Mesosphäre. Insbesondere
lassen sich die verschiedenen Antriebe planetarer Wellen separat vorgeben. Man kann
so die dynamischen Einflüsse einzelner Quellen untersuchen. KMCM füllt damit die bisherige
Lücke zwischen konventionellen GCMs mit begrenzter Beschreibung der mittleren Atmosphäre
und hochreichenden mechanistischen Modellen mit eingeschränkter Dynamik in Tropo– und
Stratosphäre.
Die in KMCM verwendete Schwerewellenparametrisierung basiert auf der Theorie von Lindzen
(J. Geophys. Res., 86, 9707, 1981). Wir verwenden jedoch neu entwickelte Ansätze für
Turbulenz (Becker, dieser Bericht) und die thermodynamischen Beiträge interner Schwerewellen.
Letztere werden mithilfe axiomatischer Forderungen abgeleitet. Dabei tritt im Unterschied
zu bisherigen Parametrisierungen lediglich die Prandtl–Zahl (Pr = 2) als zusätzlicher freier Parameter
auf. Mit dieser Modellformulierung wurde erstmals nachgewiesen, dass der beobachtete
Langzeittrend in der Mesosphäre sich konsistent durch eine Veränderung der troposphärischen
Anregung interner Schwerewellen hin zu kürzeren Wellenlängen erklären lässt (Bremer et al.,
dieser Bericht).
Im folgenden werden die Klimatologien zweier Langzeitsimulationen, die mit KMCM durchgeführt
wurden, verglichen. Die Modellkonfigurationen unterscheiden sich hinsichtlich der Anregung
planetarer Wellen. Beim vollen Modell entsprechen Orographie und latente Wärmequellen
realistischen Januarbedingungen, beim äquivalenten Aquaplaneten sind nur die zonalen Mit-