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

51 Berücksichtigung der Haftbedingung in Grenzschichtparametrisierungen
von Klimamodellen
(E. Becker)
Großskalige atmosphärische Bewegungen entstehen durch horizontale Druckunterschiede. Diesen
Vorgang bezeichnet man auch als adiabatische Umwandlung von verfügbarer potentieller
Energie in kinetische Energie. Die Druckunterschiede entstehen wiederum durch die differentielle
Erwärmung/Abkühlung der trockenen Luft aufgrund von Kondensation, Strahlungsemission
bzw. -absorption und Austausch von sensibler Wärme mit der Erdoberfläche. Gleichzeitig verliert
die Atmosphäre kinetische Energie durch interne Reibung. Im klimatologischen globalen
Mittel halten sich adiabatische Umwandlung und Reibungsverluste exakt die Waage, so dass
die Atmosphäre sich in einem energetischen Gleichgewicht befindet. Hierbei kommt der atmosphärischen
Grenzschicht eine besondere Bedeutung zu, da hier die irreversible Umwandlung
von kinetischer Energie in Wärme im Wesentlichen stattfindet. Diese Reibungswärme beträgt
im globalen Mittel etwa 2 W m −2 und entspricht der Entropieproduktion durch die großskaligen
Strömungen in der Atmosphäre.
Abb. 51.1: Globale Energiebilanz (Einheit 10 15 Js −1 ) in einer permanenten Januarsimulation mit dem
globalen Zirkulationsmodell KMCM. Die schwarzen Kurven entsprechen dem Kontrolllauf mit Berücksichtigung
der Haftbedingung in der Formulierung der Reibungswärme. Im konventionellen Lauf (rote
Kurven) ist die Reibungswärme komplett vernachlässigt. Zur Erläuterung der einzelnen Terme siehe
Text.
Damit die globale Energiebilanz auch in einem Klima- bzw. Wettervorhersagemodell ausgeglichen
ist, müssen die Reibungsverluste an kinetischer Energie in Reibungswärme überführt
werden. Dieser Prozess wird i. allg. vernachlässigt bzw. nicht hydrodynamisch konsistent dargestellt.
So entstehen Imbalancen in der globalen Energiebilanz, die diejenigen etwa aufgrund des
CO2-Anstiegs sogar übertreffen. In Becker (Mon. Wea. Rev., 131, 2003) wurde ein Verfahren
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