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

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vorgestellt, mit dem für atmosphärische Zirkulationsmodelle ganz allgemein die Reibungswärme in der Grenzschicht konsistent dargestellt werden kann. Der grundlegende Gedanke dabei ist, aus der Haftbedingung die vertikale Diskretisierung für die Reibungswärme abzuleiten, so dass sich in jeder Luftsäule Reibungsverluste und Reibungswärme exakt kompensieren, und zwar unabhängig von der vertikalen Modellauflösung. Dieses neue Verfahren kann in globalen wie auch in regionalen Zirkulationsmodellen angewendet werden. Die Haftbedingung besagt, dass an festen Rändern die Strömung haftet. Dies bedeutet, dass durch Reibungspannungen keine Energie von der Strömung auf den Rand übertragen werden kann. Für die Atmosphäre gilt diese Bedingung für Landoberflächen exakt. Über Wasser gilt die Haftbedingung in guter Näherung, denn der mechanische Energieübertrag auf die Ozeane ist in der Energiebilanz der Atmosphäre vernachlässigbar. Abbildung 51.1 zeigt die globale Energiebilanz für eine permanente Januarsimulation mit dem mechanistischen globalen Zirkulationsmodell KMCM. Dargestellt ist als Funktion der geographischen Breite in (a) der nordwärtige Transport von totaler Enthalpie, welche als Summe von fühlbarer Wärme und potentieller und kinetischer Energie definiert ist. Dieser Transport muss balanciert werden durch die Energieeinträge südlich der jeweiligen Breite. Die Einträge setzen sich zusammen aus (b) der Volumenheizung aufgrund von Strahlung und Kondensation sowie (c) dem fühlbaren Wärmestrom am unteren Rand. Die residuelle Wärmequelle des Modells, d.h. (b) plus (c) minus (a), ist in (d) dargestellt und sollte etwa Null ergeben. Bei konventioneller Modellformulierung ohne Reibungswärme ergibt sich jedoch mit zunehmender geographischer Breite eine künstliche Wärmequelle von etwa 10 15 J s −1 bzw. 2 W m −2 . Im entsprechenden Kontrolllauf, bei dem die Reibungswärme konsistent mit der Haftbedingung berücksichtigt ist, ist dieser Fehler um Größenordnungen kleiner. Abbildung 51.2 zeigt für diesen Fall die simulierte mittlere Reibungswärme in einem Breiten-Höhenschnitt. Diese kommt zu etwa zwei Drittel durch Grenzschichtreibung zustande und ihr globaler Mittelwert von etwa 2 W m −2 ist etwa genauso groß wie die künstliche residuelle Wärmequelle in der konventionellen Modellversion. Abb. 51.2: Mittlere Reibungswärme in einer permanenten Januarsimulation mit dem globalen Zirkulationsmodell KMCM (Isolinien: 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4 K d −1 ). In der oberen Troposphäre ergeben sich aufgrund von horizontaler Impulsdiffusion maximale Erwärmungsraten von etwa 0.02 K d −1 . Die Erwärmung durch Grenzschichtreibung erreicht dagegen mehr als 0.5 K d −1 . Die Haftbedingung bestimmt die Diskretisierung für die Reibungswärme nicht nur in der Grenzschicht, sondern über den gesamten Höhenbereich. Die neue Diskretisierung gilt daher auch für die thermischen Effekte aufgrund des parametrisierten vertikalen Impulsflusses interner Schwerewellen und der damit einhergehenden Impulsdiffusion. 138
Liste der Drittmittelprojekte (sortiert nach Drittmittelgebern) MEDEC: Mesosphärische Dynamik, Energie und Chemie, BMBF (MPI Hamburg)Förderkennzeichen 07 ATF 10 Beteiligte Wissenschaftler: Lübken, Zecha Laufzeit: 01.01.2001 – 31.12.2004 OPOSSUM: Physik der kleinskaligen Schichten in der oberen Mesosphäre, BMBF Förderkennzeichen 07 ATF 41 Beteiligte Wissenschaftler: Lübken, Berger Laufzeit: 01.04.2001 – 31.03.2004 LEWIZ: Trägheitsschwerewellen und ihre Verbindung zu brechenden Rossbywellen, BMBF Förderkennzeichen 07 ATF 31 Beteiligte Wissenschaftler: Peters Laufzeit: 01.04.2001 – 30.09.2004 CLIME/RADIMP: Beobachtete und modellierte Klimaänderungen in der Mesosphäre, BMBF Förderkennzeichen 01LD0038 Beteiligte Wissenschaftler: Lübken, Sonnemann Laufzeit: 01.09.2001 – 31.08.2004 Vorhersage für die Ausbreitung von Funkwellen durch die Ionosphäre (Funkwettervorhersage), Vereinbarung mit BMVg Beteiligte Wissenschaftler: Bremer, Singer, Weiß Laufzeit: 1.1.2001 – 31.12.2005 ROMA: Temperatur- und Windmessungen in der polaren mittleren Atmosphäre mit Hilfe von fallenden Kugeln und Folienwolken, DLR Förderkennzeichen 50OE99015 Beteiligte Wissenschaftler: Lübken, Müllemann Laufzeit: 01.10.99 – 31.12.2005 MIDAS: Die Erforschung von kleinskaligen Strukturen in der mittleren Atmosphäre mit Hilfe von raketengetragenen Instrumenten, DLR Förderkennzeichen 50OE9802 Beteiligte Wissenschaftler: Lübken, Rapp Laufzeit: 15.06.98 – 31.12.2003 Messung des Windfeldes in der Mesopausenregion und Ableitung charakteristischer Parameter einfallender Meteoride mit Hilfe eines Meteorradars, DFG Förderkennzeichen BR 2023/1-1,2 Beteiligte Wissenschaftler: Bremer, Singer, Latteck Laufzeit: 01.01.00 – 30.06.2003 Analyse der dynamischen Komponenten der Ozonveränderlichkeit: Eine Untersuchung mit einem 2D-Zirkulationsmodell mit komplexer Chemie, DFG Förderkennzeichen SCHM 1274/2-1,2 Beteiligte Wissenschaftler: Schmitz, Gabriel Laufzeit: 01.04.99 – 30.11.2002 139
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Inhaltsverzeichnis Liste der verwen
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Vorwort Hiermit legt das IAP seinen
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Einleitung Gründungsgeschichte Auf
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Generelle Arbeitsmittel Als generel
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Drittmittelprojekte Laut seiner Ver
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Organisation des IAP (Stand: 31. 12
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Kopplung der atmosphärischen Schic
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Am IAP werden außerdem theoretisch
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1 Übersichtsartikel: Aerosole in d
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daß es eine solche Schicht erhöht
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der Troposphäre und unteren Strato
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In den Extratropen der Stratosphär
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3 Übersichtsartikel: Trends in der
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4 Übersichtsartikel: Das IAP und d
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Für diese wichtigen Prozess-Studie
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Metallschichten (z.B. Kalium oder N
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• Das Rückstreusignal bei 532 nm
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7 Erste Messungen mit dem neuen Eis
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8 Lidarmessungen und Modellierung v
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echen, in niedrigeren Höhen erreic
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Dadurch motiviert haben wir die Ele
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die polaren Breiten, die im Sommer
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Aerosol-Rückstreukoeffizient @ 532
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25 Radaranlagen am IAP in mittleren
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26 Langzeitige Variationen von PMSE
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27 Erste simultane Beobachtungen vo
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28 Mehrfachschichten in PMSE (P. Ho
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Seite 144 und 145: Liste der kooperierenden Institutio
Seite 146 und 147: Institute of Applied Physics (Russ.
Seite 148 und 149: Liste der Veröffentlichungen Achat
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