Institutsbericht 2002/2003 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

Der Reibungsterm hat keine Bedeutung. Für die Extratropen ist dieses Ergebnis nicht überraschend,
wohl aber für die Tropen, d.h. das ”upwelling” in den Tropen der unteren Stratosphäre
ergibt sich als Folge des im Modell aufgelösten ”wave drag”. Eine ähnliche Abhängigkeit ergibt
sich für das volle Modell und zeigt, dass der Reibungsterm nicht bestimmend für die vertikale
Geschwindigkeit in den Tropen ist. Andererseits gibt es aber auch in der untersten Stratosphäre
keine thermisch direkt getriebene meridionale Zirkulation. Da die Wellenflüsse sich sehr sensibel
entwickeln wird offenbar nur in konsistenter Modell-Näherung ihr Einfluss erkennbar.
Im Gebiet der Stratopause ist die Drehimpulsbilanz durch die nichtlinearen advektiven Terme
bestimmend, unabhängig vom Zirkulationsexperiment, solange die Strahlungsgleichgewichtstemperatur
realistisch im Modell erfasst ist. In diesem Gebiet ist es eine Schwierigkeit die Trägheitsinstabilität
angepasst zu erfassen. In unseren Experimenten haben wir keine Anpassung explizit
berücksichtigt, sondern die Experimente mit erhöhten Reibungsparametern durchgeführt.
In Abbildung 42.2 zeigt das volle Modellexperiment Ostwind in der nördlichen Hemisphäre
des Äquators bei etwa 1 hPa, also gerade bei der Höhe mit dem stärkstem Gradienten in der
Strahlungsgleichgewichtstemperatur. Weiter zeigt Abbildung 42.2 die Massenzirkulation zusammen
mit den Linien gleichen absoluten Drehimpulses. Man erkennt ein Gebiet eines schwachen
Breitengradienten des Drehimpulses zwischen 0,3 hPa - 5 hPa über dem Äquator zusammen mit
einer ausgeprägten meridionalen Windkomponente.
Abb. 42.2: Der zonale Wind in m s −1 und die residuelle Zirkulation (grüne Linien) in 10 9 kg s −1 und der
absolute Drehimpuls M/a in m s −1 für das volle Modell, Januar.
Dieses Verhalten, zusammen mit der Drehimpulsbilanz, ergibt, dass die vertikale und meridionale
Windkomponente in der Stratopausenhöhe sowohl durch eine Art Hadley-Zirkulation,
also thermisch getrieben, als auch durch eine wellengetriebene Komponente bestimmt ist. Das
Windprofil zeigt allerdings keine parabolische Struktur und auch das equal-area Bild einer idealen
Zirkulation ist schwer anwendbar. Darüber hinaus hängt das Windsystem in der Stratopause
am Äquator sehr empfindlich von den Reibungsparametern ab.
Zusammenfassend finden wir auf der Grundlage von 3D-Zirkulationsexperimenten, dass in
der unteren Stratosphäre der Tropen und Extratropen der vertikale Wind durch den ”wave drag”
bestimmt ist und in der oberen Stratosphäre der vertikale Wind durch eine thermisch direkt
getriebene Zirkulation, die durch eine vom ”wave drag” bestimmte Komponente überlagert wird.
Eine Trennung dieser Komponenten ist schwer aufzeigbar in den verschiedenen Experimenten,
sicher auch dadurch bedingt, dass die Reibung nicht beliebig schwach gewählt werden kann. Der
Einfluss der direkt getriebenen Zirkulation im Stratopausenbereich und damit der nichtlineare
Charakter der Zirkulation zeigt sich bis ∼ 30 km Höhe. Die Homogenisierung des Drehimpulses
in der Stratopause ist in den Experimenten schwach ausgebildet.
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