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

50 Regionale Modellstudien zur Anregung und Ausbreitung von
Trägheitsschwerewellen
(Ch. Zülicke, D. Peters)
Trägheitsschwerewellen tragen wesentlich zur Impuls- und Energiebilanz der mittleren Atmosphäre
bei. Zum Verständnis dieser Bilanzen ist die Untersuchung der Anregungs- und Ausbreitungsprozesse
in der unteren Atmosphäre von großer Bedeutung. Insbesondere sollen Situationen
untersucht werden, die durch brechende Rossby-Wellen und den Polarwirbel charakterisiert werden.
Das beinhaltet die Verfolgung der Dynamik von den planetaren über die synoptischen bis
zu den meso-Skalen. In Fortführung vorangegangener Feldarbeiten (Peters et al., Meteorologische
Z., 12, 2003) wurde im Rahmen des IAP-Projekts LEWIZ (siehe Kap. 49) die Kampagne
K1 (17.-19.12.1999) modelliert. Dazu wurde das nichthydrostatische ”Fifth generation mesoscale
model” MM5 genutzt, das neben einer Vielzahl von physikalischen Optionen auch die Möglichkeit
der Verschachtelung verschieden dimensionierter Domänen bietet. Das Ziel besteht in der
realitätsnahen Simulation von Trägheitsschwerewellen und der systematischen Zuordnung der
generierenden Prozesse. Die Großwetterlage während der Kampagne LEWIZ-K1 ist durch eine
polwärts brechende Rossby-Welle gekennzeichnet, an deren von NW nach SO gerichteter Flanke
in Tropopausenhöhe (300 hPa) ein intensiver Strahlstrom zu beobachten ist. Der Polarwirbel
reicht bis zu 50 hPa herab und induziert ein Starkwindband über Nordeuropa (Abb. 50.1).
Abb. 50.1: Horizontalschnitt durch die auf die grobaufgelöste Domäne (∆x = 74 km) projizierten
EZMW-Analysen zur Zeit t = 36 h (17.12.1999-12:00) (links: auf dem Druckniveau von p = 300 hPa
die Windgeschwindigkeit U (grüne Pfeile bei denen der Abstand von einem Aufpunkt zum nächsten ∆U
= 50 m s −1 entspricht), die Divergenz δ (rot: δ > 2,0 10 −5 1 s −1 , blau: δ < - 2,0 10 −5 1 s −1 ) sowie der
Wert der Ertelschen potentiellen Wirbelstärke π auf der Isentropen Θ = 320 K (gelb: π > 2 PVU); rechts
Wind U und Divergenz δ auf der Druckfläche von p = 50 hPa und für π > 50 PVU auf Θ = 520 K). Die
Position von Kühlungsborn ist mit einem roten Kreuz gekennzeichnet.
Das MM5 wurde mit drei verschachtelten Domänen einer Auflösung von 72 / 24 / 8 km
in der Horizontalen und 0,75 / 0,25 / 0,10 km in der Vertikalen aufgesetzt, die ein Gebiet von
ca. 7000 km ∗ 5000 km abdecken. Zum Vergleich der Beobachtungen mit den Simulationen
wurden Profile von Wind und Temperatur zum gleichen Zeitpunkt und Ort herangezogen. Die
nach dem Abzug eines angepassten Polynoms vierter Ordnung erhaltenen Varianzen zeigen, dass
mit dieser Konfiguration 50 - 90 % der beobachteten Fluktuationen modelliert werden. Aus der
Auswertung der Autokovarianzfunktion der Divergenz finden wir Strukturen im Bereich von
100 - 500 km horizontaler Wellenlänge, 2 - 6 km in der Vertikalen und 3 - 11 h intrinsischer
Periode. Mesoskalige Wellen treten zwar am häufigsten auf, aber eine Untersuchung der totalen
Wellenenergie ergibt, dass die sub-synoptischen Wellen (500 km, 4 km, 10 h) mit ca. 6 m 2 s −2
gegenüber dem mittleren Wert von ca. 2 m 2 s −2 am energiereichsten sind. Ein Schnappschuss aus
dem Modelllauf zeigt (Abb.50.2), dass sich am divergenten Austrittsgebiet des troposphärischen
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