Zusammenfassung Einleitung Modellkonfigurationen Literatur

Parametrisierung orographischer Schwerewellen
Beteiligte am IAP: B.Wolf, E. Becker
Einleitung
Zur korrekten Beschreibung der Dynamik der Atmosphäre mit Hilfe von Modellen ist es notwendig alle relevanten physikalischen Effekte zu
berücksichtigen. In der mittleren Atmosphäre haben Schwerewellen mit vergleichsweise kurzen horizontalen Wellenlängen einen wesentlichen Einfluss auf
die globale Zirkulation. Können Modelle diese Wellen nicht explizit auflösen und anregen, müssen sie mit Hilfe von Parametrisierungen in das Modell
integriert werden. Im KMCM trifft dies auf orographische Schwerewellen (OGWs) zu. Diese werden durch die Überströmung von TerrainUnregelmäßigkeiten mit Ausdehnungen von wenigen Kilometern bis wenigen hundert Kilometern angeregt. Während ein Teil dieser Schwerewellen bereits
in der Troposphäre dissipiert, können sich insbesondere größerskalige Gebirgswellen weit oberhalb der Troposphäre ausbreiten. In der Winterhemisphäre
üben diese Wellen einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die residuelle Zirkulation (Brewer-Dobson-Zirkulation) aus und beeinflussen damit die
gesamte Dynamik um die Stratopausenregion. Am IAP haben wir den klassischen Ansatz von McFarlane zur Parametrisierung von orographischen
Schwerewellen mit zwei wesentlichen Effekten erweitert, um die zugrunde liegende Skalenwechselwirkung (aufgelöste Skalen, parametrisierte
Schwerewellen und Turbulenz) im Vergleich zu bisherigen Anwendungen konsistent zu beschreiben.
Zusammenfassung
• Ohne die Berücksichtigung orographischer Schwerewellen kann die Dynamik in der mittleren Atmosphäre nicht korrekt beschrieben werden.
• Es wurde eine Parametrisierung auf Basis des klassischen Schemas von McFarlane entwickelt, die konsistent die Wechselwirkung von Turbulenz,
Schwerewellen und aufgelösten Skalen beschreibt.
• Es zeigen sich signifikante Abweichungen in der Dynamik im Vergleich zur klassischen Parametrisierung. Im Winter der Nordhemisphäre entsprechen
diese einer Interhemisphärischen Kopplung und führen zu einer Abkühlung der Sommermesopause.
Verbesserung gegenüber der konventionellen Parametrisierung
Zonalgemittelte Modellantwort, zeitlich gemittelt über
acht Winter.
Links zeigen Farben die Änderung (C-HD) der Zonalkomponente des orographischen Schwerewellenantriebes
durch die konsequente Kopplung der Parametrisierung an
das Turbulenzmodel. Konturen zeigen die assoziierte
vertikal Diffusion (C).
Rechts zeigen Farben die Änderungen (C-HD) der
Divergenz des gesamten Eliassen-Palm-Flusses plus der
parametrisierten Schwerewellen gegenüber der Simulation
mit der klassischen Parametrisierung (HD). Die
Kontrollsimulation (C) ist mit Isolinien eingezeichnet.
Erweiterung der klassischen Parametrisierung
Anregung durch Rauigkeit (Orographie) und aufgelösten bodennahen Wind

+ Wellengleichungen erlauben auch große vertikale Wellenlängen

Lindzen'sche Sättigungshypothese: Konvektive Instabilität erzeugt turbulente Diffusion; Schwerewellen werden dadurch gedämpft bzw. bei kritischen
Niveaus gefiltert

+ Allgemeine Beschreibung der Wellenausbreitung mit WKB-Theorie: Gesamte vertikale Diffusion (insbesondere Grenzschicht) trägt zur
Wellendämpfung bei

Die Impulsdeposition wird in der Dynamik der aufgelösten Skalen berücksichtigt

+ Durch orographische Wellen erzeugte, turbulente Diffusion wirkt zurück auf alle anderen Skalen (aufgelöste Dynamik, parametrisierte
nichtorographische Schwerewellen)

+ Berücksichtigung der Energiedeposition

Primär verschiebt sich der Antrieb durch die orographischen Wellen polwärts und in der Höhe. Dies kann man mit Hilfe der zusätzlich berücksichtigten
Vertikaldiffusion verstehen, welche den vertikalen Windgradienten verringert. Dadurch brechen die orographischen Schwerewellen in größeren Höhen.
Durch Wechselwirkungen mit anderen Wellen und dem Grundstrom ergeben sich Auswirkungen, die nicht nur auf die Nordhemisphäre beschränkt sind,
sondern die Dynamik über den gesamten Globus, insbesondere in der mittleren Atmosphäre beeinflussen.
Der zugrundeliegende Mechanismus, der den Unterschied zwischen den Simulationen mit der klassischen und der neuen Parametrisierung erzeugt,
entspricht dem der Interhemisphärischen Kopplung.
Einfluss von orographischen Schwerewellen
Die brechenden orographischen Schwerewellen ziehen eine Änderung des gesamten
Wellenantriebes in der Stratopausenregion nach sich. Da der Schwerewellen-Antrieb
im Nord-Winter aufgrund der stratosphärischen Filterung generell negativ ist,
bedeutet eine positive Differenz eine Abschwächung der Impulsdeposition.
Zonalgemittelte Modellantwort in der nördlichen Hemisphäre, zeitlich gemittelt
über acht
Winter. Links zeigen Farben die Zonalkomponente des
orographischen
Schwerewellenantriebes
(C),
Konturen
assoziierte
Vertikaldiffusion (C).
Rechts zeigen Farben die Änderungen der Divergenz des gesamten EliassenPalm-Flusses plus der parametrisierten nichtorographischen Schwerewellen
gegenüber (V). Die Kontrollsimulation (C) ist mit Isolinien eingezeichnet.
Daraus resultiert eine Änderung der Filterung für vertikal
propagierende Schwerewellen. Während polseitig von 40°
Nord mehr ostwärts laufendene Schwerewellen (c>0) die
Mesosphäre erreichen, brechen andererseits westwärtige
Wellen früher, aufgrund des verringerten Hintergrundwindes.
Dies
bedeutet
eine
positive
Differenz
des
Schwerewellenantriebes in der polaren Stratopausenregion.
Äquatorseitig von 40° Nord werden umso mehr ostwärts
laufende Schwerewellen gefiltert, während sich westwärts
laufende Schwerewellen (c<0) umso höher ausbreiten
können.
Durch die daraus resultierende Verlagerung der meridionalen
Zirkulation erfolgt wiederum eine Abkühlung der polaren
Mesosphäre sowie eine Erwärmung über den mittleren
Breiten .
Durch die primäre, vergleichsweise kleine Verschiebung des Stratosphären-Jets wird
eine Variation in der Ausbreitung der planetaren Rossby-Wellen induziert und führt
zu einem zusätzlichen westwärtigen Wellenantrieb. Die dadurch verstärkte BrewerDobson-Zirkulation bewirkt eine polseitige Erwärmung der Stratosphäre sowie eine
äquatorseitige Abkühlung. Der verringerte Temperaturgradient bewirkt eine
Verlagerung des thermisch balancierten Zonalwindes und eine generelle
Abschwächung des Stratosphären-Jets. Der Zonalwind wird polseitig von 40° Nord
abgeschwächt und äquatorseitig verstärkt.
Zonalgemittelte Modellantwort in der nördlichen Hemisphäre, zeitlich gemittelt über acht Winter. Die Kontrollsimulation (C) ist mit Isolinien eingezeichnet. Farben zeigen
die Änderung durch die Kopplung der orographischer Schwerewellen an das Turbulenzmodell und damit den Unterschied zur klassischen Parametrisierung (HD).
Modellkonfigurationen



Kontroll-Lauf (C)
• KMCM mit konventioneller Auflösung: T32, 70 Hybridschichten von der Grenzschicht bis 120 km
• konsistente Skalenwechselwirkung der parametrisierten Schwerewellen:
• axiomatische, konsistente Grenzschichtdiffusion und Horizontaldiffusion (Becker, 2003; Becker & Burkhardt, 2007)
• erweiterte „Doppler-spread“-Parametrisierung (DSP) nichtorographischer Schwerewellen gemäß Becker & McLandress (2009)
• Schema von McFarlane (1987) für orographische Schwerewellen, erweitert mit Energiedeposition und vollständiger Berücksichtigung der
turbulenten Diffusion (damit direkt gekoppelt an Grenzschichtschema und DSP)
• kontinuierliche Berechnung des Strahlungstransfers von der Oberfläche bis zum oberen Modellrand (Knöpfel & Becker, 2010)
• idealisierte latente Wärmequellen
Konventioneller Lauf (HD): wie (C), aber ohne konsistente Kopplung der orographischen Wellen (nur Impulsdeposition berücksichtigt)
Vanilla-Lauf
(V) : wie (C), ohne orographische Schwerewellen
Literatur
Zonalgemittelte Modellantwort in der nördlichen Hemisphäre, zeitlich gemittelt über acht Winter. Farben
zeigen die Änderung durch die Berücksichtigung orographischer Schwerewellen auf die
Hintergrundtemperatur, den Zonalwind sowie die residuelle Zirkulation gegenüber (V). Die
Kontrollsimulation (C) ist mit Isolinien eingezeichnet.
N.A. McFarlane, The Effect of Orographically Excited Gravity Wave Drag on the General Circulation of the Lower Stratosphere and Troposphere, J. Atmos. Sci., 1775-1800,1987
E. Becker und C. McLandress, Consistent scale interaction of gravity waves in the Doppler-spread parameterization, J. Atmos. Sci., 1434-1449, 2009.
R. Knöpfel und E. Becker, An idealized radiative transfer scheme for use in a mechanistic general circulation model from the surface up to the mesopause region, J. Quant. Spectrosc.
Radiat. Transfer, 112, 1460-1478, 2011
M.J. Alexander et al., A Review of Recent Developments on Gravity Wave Effects in Climate Models and the Global Distribution of Gravity Wave Momentum Flux, Q.J.R. Meteorol.
Soc., 1-34, 2009