Untersuchungen zum Einfluss erzwungener atmosphärischer Rollenkonvektion in Kaltluftausbrüchen auf den vertikalen turbulenten Transport in der atmosphärischen und der ozeanischen Grenzschicht mittels Large-Eddy Simulationen

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Jens Fricke

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoctor rerum naturalium
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Siegfried Raasch, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades13 Juli 2018
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

Abstract

Wetter und Klima werden signifikant durch den turbulenten Austausch von Wärme, Impuls, Wasser und Spurenstoffen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean beeinflusst. Diese Austauschprozesse finden innerhalb der atmosphärischen und der oberen ozeanischen Grenzschicht statt und hängen im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Systemen und den jeweiligen Strömungen ab. Eine typische meteorologische Situation mit großen Temperaturdifferenzen stellen polare Kaltluftausbrüche (KLA) dar, wobei eine kalte und trockene Luftmasse durch einen synoptisch-skaligen Wind von einer eisbedeckten Landmasse über den wärmeren Ozean advehiert wird. Aufgrund einer heterogenen Eiskante ist die Konvektion über dem Ozean typischerweise in Form von Rollen organisiert. Diese Rollen erstrecken sich vertikal über die gesamte Grenzschicht und horizontal über mehrere hundert Kilometer. Die turbulenten Austauschprozesse innerhalb der Grenzschichten können in globalen numerischen Wetter-, Klima- und Ozeanmodellen nicht aufgelöst, sondern müssen parametrisiert werden. Dafür ist ein tieferes Verständnis dieser Prozesse notwendig. Bisherige Studien konnten zwar zeigen, dass Konvektionsrollen einen signifikanten Anteil am vertikalen Transport haben, jedoch nicht, ob dadurch der gesamte turbulente Transport verändert wird. Diese Frage wird in dieser Arbeit mithilfe von Grobstruktursimulationen (engl. Large-Eddy Simulation - LES) untersucht. Im ersten Teil dieser Studie wurden 12 unterschiedliche polare KLA-Situationen simuliert, wobei der synoptisch-skalige Wind und die Ozeantemperatur variierte. Mittels unterschiedlicher Meereisverteilungen konnte für jede KLA Situation jeweils ein Fall mit und ohne Rollen unter denselben meteorologischen Bedingungen simuliert werden. Die Eigenschaften der simulierten Rollen stimmen gut mit beobachteten Konvektionsrollen in KLA überein. Für jeden KLA wurde sowohl die Grenzschichtentwicklung zwischen dem Rollen und Nicht-Rollen Fall verglichen, als auch der Rollenanteil am vertikalen turbulenten Transport analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rollen einen wesentlichen Anteil am vertikalen Transport haben, aber weder den gesamten Transport noch die Entwicklung der konvektiven Grenzschicht verändern. Dieses konnte für unterschiedliche Wellenlängen der Rollen und auch eine trockene Atmosphäre bestätigt werden. Wie bereits durch Beobachtungen bekannt, modifizieren atmosphärische Konvektionsrollen die Struktur der Meeresoberfläche inklusive der oberflächennahen Flüsse. Darum wurde im zweiten Teil dieser Studie der Einfluss der Konvektionsrollen auf den Ozean untersucht, und ob es ggf. zu Rückkopplungseffekten mit der Atmosphäre kommen könnte. Die Simulationen der oberen ozeanischen Grenzschicht wurden angetrieben durch oberflächennahe Flüsse einer der KLA Simulationen. Dabei wurden Simulationen mit und ohne Rollensignale an der Meeresoberfläche durchgeführt. Die Simulationen mit Rollensignal zeigen, dass eine sehr schwache rollenartige Zirkulation angeregt wird, welche sich über die gesamte ozeanische Grenzschicht erstreckt. Ein Vergleich der Grenzschichtentwicklung zwischen den Simulationen mit und ohne Rollensignal weist keine signifikanten Unterschiede auf. Dieses gilt auch für die Meeresoberfläche, so dass es keinen veränderten Wärme- oder Feuchteeintrag in die Atmosphäre gibt. Dieses Ergebnis konnte auch unter Berücksichtigung der Langmuir-Zirkulation im Ozean bestätigt werden. Diese Studie zeigt, dass atmosphärische Rollen, angeregt durch stromaufwärts gelegene Heterogenitäten, einen wesentlichen Anteil am vertikalen turbulenten Transport haben ohne den Gesamttransport zu erhöhen. Darum müssen solche Rollen nicht in Parametrisierungen globaler Modelle, welche keine großskalige Turbulenz auflösen, gesondert berücksichtigt werden.

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title = "Untersuchungen zum Einfluss erzwungener atmosph{\"a}rischer Rollenkonvektion in Kaltluftausbr{\"u}chen auf den vertikalen turbulenten Transport in der atmosph{\"a}rischen und der ozeanischen Grenzschicht mittels Large-Eddy Simulationen",
abstract = "Wetter und Klima werden signifikant durch den turbulenten Austausch von W{\"a}rme, Impuls, Wasser und Spurenstoffen zwischen der Atmosph{\"a}re und dem Ozean beeinflusst. Diese Austauschprozesse finden innerhalb der atmosph{\"a}rischen und der oberen ozeanischen Grenzschicht statt und h{\"a}ngen im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Systemen und den jeweiligen Str{\"o}mungen ab. Eine typische meteorologische Situation mit gro{\ss}en Temperaturdifferenzen stellen polare Kaltluftausbr{\"u}che (KLA) dar, wobei eine kalte und trockene Luftmasse durch einen synoptisch-skaligen Wind von einer eisbedeckten Landmasse {\"u}ber den w{\"a}rmeren Ozean advehiert wird. Aufgrund einer heterogenen Eiskante ist die Konvektion {\"u}ber dem Ozean typischerweise in Form von Rollen organisiert. Diese Rollen erstrecken sich vertikal {\"u}ber die gesamte Grenzschicht und horizontal {\"u}ber mehrere hundert Kilometer. Die turbulenten Austauschprozesse innerhalb der Grenzschichten k{\"o}nnen in globalen numerischen Wetter-, Klima- und Ozeanmodellen nicht aufgel{\"o}st, sondern m{\"u}ssen parametrisiert werden. Daf{\"u}r ist ein tieferes Verst{\"a}ndnis dieser Prozesse notwendig. Bisherige Studien konnten zwar zeigen, dass Konvektionsrollen einen signifikanten Anteil am vertikalen Transport haben, jedoch nicht, ob dadurch der gesamte turbulente Transport ver{\"a}ndert wird. Diese Frage wird in dieser Arbeit mithilfe von Grobstruktursimulationen (engl. Large-Eddy Simulation - LES) untersucht. Im ersten Teil dieser Studie wurden 12 unterschiedliche polare KLA-Situationen simuliert, wobei der synoptisch-skalige Wind und die Ozeantemperatur variierte. Mittels unterschiedlicher Meereisverteilungen konnte f{\"u}r jede KLA Situation jeweils ein Fall mit und ohne Rollen unter denselben meteorologischen Bedingungen simuliert werden. Die Eigenschaften der simulierten Rollen stimmen gut mit beobachteten Konvektionsrollen in KLA {\"u}berein. F{\"u}r jeden KLA wurde sowohl die Grenzschichtentwicklung zwischen dem Rollen und Nicht-Rollen Fall verglichen, als auch der Rollenanteil am vertikalen turbulenten Transport analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rollen einen wesentlichen Anteil am vertikalen Transport haben, aber weder den gesamten Transport noch die Entwicklung der konvektiven Grenzschicht ver{\"a}ndern. Dieses konnte f{\"u}r unterschiedliche Wellenl{\"a}ngen der Rollen und auch eine trockene Atmosph{\"a}re best{\"a}tigt werden. Wie bereits durch Beobachtungen bekannt, modifizieren atmosph{\"a}rische Konvektionsrollen die Struktur der Meeresoberfl{\"a}che inklusive der oberfl{\"a}chennahen Fl{\"u}sse. Darum wurde im zweiten Teil dieser Studie der Einfluss der Konvektionsrollen auf den Ozean untersucht, und ob es ggf. zu R{\"u}ckkopplungseffekten mit der Atmosph{\"a}re kommen k{\"o}nnte. Die Simulationen der oberen ozeanischen Grenzschicht wurden angetrieben durch oberfl{\"a}chennahe Fl{\"u}sse einer der KLA Simulationen. Dabei wurden Simulationen mit und ohne Rollensignale an der Meeresoberfl{\"a}che durchgef{\"u}hrt. Die Simulationen mit Rollensignal zeigen, dass eine sehr schwache rollenartige Zirkulation angeregt wird, welche sich {\"u}ber die gesamte ozeanische Grenzschicht erstreckt. Ein Vergleich der Grenzschichtentwicklung zwischen den Simulationen mit und ohne Rollensignal weist keine signifikanten Unterschiede auf. Dieses gilt auch f{\"u}r die Meeresoberfl{\"a}che, so dass es keinen ver{\"a}nderten W{\"a}rme- oder Feuchteeintrag in die Atmosph{\"a}re gibt. Dieses Ergebnis konnte auch unter Ber{\"u}cksichtigung der Langmuir-Zirkulation im Ozean best{\"a}tigt werden. Diese Studie zeigt, dass atmosph{\"a}rische Rollen, angeregt durch stromaufw{\"a}rts gelegene Heterogenit{\"a}ten, einen wesentlichen Anteil am vertikalen turbulenten Transport haben ohne den Gesamttransport zu erh{\"o}hen. Darum m{\"u}ssen solche Rollen nicht in Parametrisierungen globaler Modelle, welche keine gro{\ss}skalige Turbulenz aufl{\"o}sen, gesondert ber{\"u}cksichtigt werden. ",
author = "Jens Fricke",
note = "Dissertation",
year = "2018",
doi = "10.15488/3637",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

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TY - BOOK

T1 - Untersuchungen zum Einfluss erzwungener atmosphärischer Rollenkonvektion in Kaltluftausbrüchen auf den vertikalen turbulenten Transport in der atmosphärischen und der ozeanischen Grenzschicht mittels Large-Eddy Simulationen

AU - Fricke, Jens

N1 - Dissertation

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Wetter und Klima werden signifikant durch den turbulenten Austausch von Wärme, Impuls, Wasser und Spurenstoffen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean beeinflusst. Diese Austauschprozesse finden innerhalb der atmosphärischen und der oberen ozeanischen Grenzschicht statt und hängen im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Systemen und den jeweiligen Strömungen ab. Eine typische meteorologische Situation mit großen Temperaturdifferenzen stellen polare Kaltluftausbrüche (KLA) dar, wobei eine kalte und trockene Luftmasse durch einen synoptisch-skaligen Wind von einer eisbedeckten Landmasse über den wärmeren Ozean advehiert wird. Aufgrund einer heterogenen Eiskante ist die Konvektion über dem Ozean typischerweise in Form von Rollen organisiert. Diese Rollen erstrecken sich vertikal über die gesamte Grenzschicht und horizontal über mehrere hundert Kilometer. Die turbulenten Austauschprozesse innerhalb der Grenzschichten können in globalen numerischen Wetter-, Klima- und Ozeanmodellen nicht aufgelöst, sondern müssen parametrisiert werden. Dafür ist ein tieferes Verständnis dieser Prozesse notwendig. Bisherige Studien konnten zwar zeigen, dass Konvektionsrollen einen signifikanten Anteil am vertikalen Transport haben, jedoch nicht, ob dadurch der gesamte turbulente Transport verändert wird. Diese Frage wird in dieser Arbeit mithilfe von Grobstruktursimulationen (engl. Large-Eddy Simulation - LES) untersucht. Im ersten Teil dieser Studie wurden 12 unterschiedliche polare KLA-Situationen simuliert, wobei der synoptisch-skalige Wind und die Ozeantemperatur variierte. Mittels unterschiedlicher Meereisverteilungen konnte für jede KLA Situation jeweils ein Fall mit und ohne Rollen unter denselben meteorologischen Bedingungen simuliert werden. Die Eigenschaften der simulierten Rollen stimmen gut mit beobachteten Konvektionsrollen in KLA überein. Für jeden KLA wurde sowohl die Grenzschichtentwicklung zwischen dem Rollen und Nicht-Rollen Fall verglichen, als auch der Rollenanteil am vertikalen turbulenten Transport analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rollen einen wesentlichen Anteil am vertikalen Transport haben, aber weder den gesamten Transport noch die Entwicklung der konvektiven Grenzschicht verändern. Dieses konnte für unterschiedliche Wellenlängen der Rollen und auch eine trockene Atmosphäre bestätigt werden. Wie bereits durch Beobachtungen bekannt, modifizieren atmosphärische Konvektionsrollen die Struktur der Meeresoberfläche inklusive der oberflächennahen Flüsse. Darum wurde im zweiten Teil dieser Studie der Einfluss der Konvektionsrollen auf den Ozean untersucht, und ob es ggf. zu Rückkopplungseffekten mit der Atmosphäre kommen könnte. Die Simulationen der oberen ozeanischen Grenzschicht wurden angetrieben durch oberflächennahe Flüsse einer der KLA Simulationen. Dabei wurden Simulationen mit und ohne Rollensignale an der Meeresoberfläche durchgeführt. Die Simulationen mit Rollensignal zeigen, dass eine sehr schwache rollenartige Zirkulation angeregt wird, welche sich über die gesamte ozeanische Grenzschicht erstreckt. Ein Vergleich der Grenzschichtentwicklung zwischen den Simulationen mit und ohne Rollensignal weist keine signifikanten Unterschiede auf. Dieses gilt auch für die Meeresoberfläche, so dass es keinen veränderten Wärme- oder Feuchteeintrag in die Atmosphäre gibt. Dieses Ergebnis konnte auch unter Berücksichtigung der Langmuir-Zirkulation im Ozean bestätigt werden. Diese Studie zeigt, dass atmosphärische Rollen, angeregt durch stromaufwärts gelegene Heterogenitäten, einen wesentlichen Anteil am vertikalen turbulenten Transport haben ohne den Gesamttransport zu erhöhen. Darum müssen solche Rollen nicht in Parametrisierungen globaler Modelle, welche keine großskalige Turbulenz auflösen, gesondert berücksichtigt werden.

AB - Wetter und Klima werden signifikant durch den turbulenten Austausch von Wärme, Impuls, Wasser und Spurenstoffen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean beeinflusst. Diese Austauschprozesse finden innerhalb der atmosphärischen und der oberen ozeanischen Grenzschicht statt und hängen im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Systemen und den jeweiligen Strömungen ab. Eine typische meteorologische Situation mit großen Temperaturdifferenzen stellen polare Kaltluftausbrüche (KLA) dar, wobei eine kalte und trockene Luftmasse durch einen synoptisch-skaligen Wind von einer eisbedeckten Landmasse über den wärmeren Ozean advehiert wird. Aufgrund einer heterogenen Eiskante ist die Konvektion über dem Ozean typischerweise in Form von Rollen organisiert. Diese Rollen erstrecken sich vertikal über die gesamte Grenzschicht und horizontal über mehrere hundert Kilometer. Die turbulenten Austauschprozesse innerhalb der Grenzschichten können in globalen numerischen Wetter-, Klima- und Ozeanmodellen nicht aufgelöst, sondern müssen parametrisiert werden. Dafür ist ein tieferes Verständnis dieser Prozesse notwendig. Bisherige Studien konnten zwar zeigen, dass Konvektionsrollen einen signifikanten Anteil am vertikalen Transport haben, jedoch nicht, ob dadurch der gesamte turbulente Transport verändert wird. Diese Frage wird in dieser Arbeit mithilfe von Grobstruktursimulationen (engl. Large-Eddy Simulation - LES) untersucht. Im ersten Teil dieser Studie wurden 12 unterschiedliche polare KLA-Situationen simuliert, wobei der synoptisch-skalige Wind und die Ozeantemperatur variierte. Mittels unterschiedlicher Meereisverteilungen konnte für jede KLA Situation jeweils ein Fall mit und ohne Rollen unter denselben meteorologischen Bedingungen simuliert werden. Die Eigenschaften der simulierten Rollen stimmen gut mit beobachteten Konvektionsrollen in KLA überein. Für jeden KLA wurde sowohl die Grenzschichtentwicklung zwischen dem Rollen und Nicht-Rollen Fall verglichen, als auch der Rollenanteil am vertikalen turbulenten Transport analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rollen einen wesentlichen Anteil am vertikalen Transport haben, aber weder den gesamten Transport noch die Entwicklung der konvektiven Grenzschicht verändern. Dieses konnte für unterschiedliche Wellenlängen der Rollen und auch eine trockene Atmosphäre bestätigt werden. Wie bereits durch Beobachtungen bekannt, modifizieren atmosphärische Konvektionsrollen die Struktur der Meeresoberfläche inklusive der oberflächennahen Flüsse. Darum wurde im zweiten Teil dieser Studie der Einfluss der Konvektionsrollen auf den Ozean untersucht, und ob es ggf. zu Rückkopplungseffekten mit der Atmosphäre kommen könnte. Die Simulationen der oberen ozeanischen Grenzschicht wurden angetrieben durch oberflächennahe Flüsse einer der KLA Simulationen. Dabei wurden Simulationen mit und ohne Rollensignale an der Meeresoberfläche durchgeführt. Die Simulationen mit Rollensignal zeigen, dass eine sehr schwache rollenartige Zirkulation angeregt wird, welche sich über die gesamte ozeanische Grenzschicht erstreckt. Ein Vergleich der Grenzschichtentwicklung zwischen den Simulationen mit und ohne Rollensignal weist keine signifikanten Unterschiede auf. Dieses gilt auch für die Meeresoberfläche, so dass es keinen veränderten Wärme- oder Feuchteeintrag in die Atmosphäre gibt. Dieses Ergebnis konnte auch unter Berücksichtigung der Langmuir-Zirkulation im Ozean bestätigt werden. Diese Studie zeigt, dass atmosphärische Rollen, angeregt durch stromaufwärts gelegene Heterogenitäten, einen wesentlichen Anteil am vertikalen turbulenten Transport haben ohne den Gesamttransport zu erhöhen. Darum müssen solche Rollen nicht in Parametrisierungen globaler Modelle, welche keine großskalige Turbulenz auflösen, gesondert berücksichtigt werden.

U2 - 10.15488/3637

DO - 10.15488/3637

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -