Schwerewellen in hochauflösenden Simulationen

In einer neuen Studie im Journal of the Atmospheric Sciences (JAS) präsentieren Dr. Claudia Stephan und Dr. Hauke Schmidt aus der Abteilung „Atmosphäre im Erdsystem“ am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) gemeinsam mit Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und des Deutschen Wetterdienstes (DWD) den ersten Vergleich von Schwerewellenimpulsflüssen in global hochauflösenden Simulationen und Satellitenbeobachtungen. Zunehmende Computerkapazitäten ermöglichen seit kurzem globale Simulationen mit horizontalen Gitterauflösungen von wenigen Kilometern, sodass große Teile des Schwerewellenspektrums explizit modelliert werden können. Dies könnte im Prinzip einen Verzicht auf strukturell mängelbehaftete Schwerewellenparametrisierungen ermöglichen. Die Wissenschaftler gehen den Fragen nach: Wie realistisch sind explizit simulierte Schwerewellen, und erzeugen verschiedene hochauflösende Modelle ähnliche Wellen?

Atmosphärische Schwerewellen entstehen meist in der Troposphäre, zum Beispiel bei der Überströmung von Bergen oder durch Konvektion. Die Wellen können sich horizontal und vertikal ausbreiten und sind besonders wichtig für die mittlere Atmosphäre, wo ihre Dissipation mit einer Übertragung des Schwerewellenimpuls einhergeht. Die resultierenden Kräfte definieren die globale Zirkulation und die Temperaturverteilung in der mittleren und oberen Atmosphäre. Es ist eine große Herausforderung, die durch Schwerewellen vermittelten Kräfte realistisch in numerische Modelle einzubringen, da die Wellenlängen in der Regel zu kurz sind, um in globalen Wettervorhersage- oder Klimamodellen mit Gitterboxen in der Größenordnung von mehreren zehn bis hundert Kilometern explizit beschrieben zu werden. Darüber hinaus werden Schwerewellenparametrisierungen durch einen Mangel an Beobachtungen sowie physikalische Inkonsistenzen zwischen Parametrisierungen und Realität beeinträchtigt.  

Die veröffentlichte Analyse basiert auf sechs Simulationen des Monats August, die im Rahmen der DYAMOND-Initiative durchgeführt wurden. Die verwendeten Modelle sind ICON (horizontale Gitterabstände von 5 km bzw. 2,5 km), NICAM (7 km und 3,5 km) und IFS (9 km und 4 km). Der Impulsfluss wurde aus Modelldaten mit zwei verschiedenen Methoden berechnet: dreidimensionalen sinusförmigen Wellenanpassungen (S3D) und einer Berechnung basierend auf den lokalen quadrierten Werten der Wind- und Temperaturanomalien.

Im Gegensatz zu den meisten Klimamodellen, die Parametrisierungen für Schwerewellen verwenden, reproduzieren die in der neuen Studie gezeigten DYAMOND-Simulationen detaillierte beobachtete Muster der globalen Verteilung des Impulsflusses. Dies ist auf realistische Schwerewellen aus verschiedenen Quellen zurückzuführen, welche Konvektion, Orographie sowie Instabilitäten in Tiefdruckgebieten einschließen. Die Amplituden der Impulsflüsse unterscheiden sich jedoch erheblich zwischen den Simulationen. In der nördlichen Hemisphäre, wo Konvektion im Sommer die Hauptquelle für Schwerewellen ist, sind Unterschiede in der Stärke der Konvektion zum Teil verantwortlich für die verschiedenen Amplituden in Simulationen desselben Modells. Wenn die Konvektion selbst nicht parametrisiert ist, dann bedingt ein gröberes Gitternetz größere Niederschlagsvariabilität und einen größeren Impulsfluss*. Modellübergreifend gibt es bei den sechs hier betrachteten Simulationen keine Hinweise auf eine systematische Änderung des Impulsflusses mit der horizontalen Auflösung. Stattdessen sind Unterschiede auf verschiedene Modellformulierungen zurückzuführen. Die Ergebnisse implizieren, dass die Validierung simulierter Schwerewellen über das gesamte aufgelöste Spektrum eine schwierige Herausforderung bleibt, nicht zuletzt aufgrund des Mangels an geeigneten Beobachtungsdaten.

Mehr Information:
Dyamond-Initiative: https://www.esiwace.eu/services/dyamond
 

Originalveröffentlichung:
Stephan, C. C., C. Strube, D. Klocke, M. Ern, L. Hoffmann, P. Preusse, and H. Schmidt (2019): Intercomparison of gravity waves in global convection-permitting models, J. Atmos. Sci., 124, doi: 10.1175/JAS-D-19-0040.1

* Die Auswirkungen der konvektiven Parametrisierung auf den Schwerewellenimpulsfluss wurden in einer verwandten Studie untersucht, die im „Journal of Geophysical Research – Atmospheres“ veröffentlicht wurde:

Stephan, C. C., C. Strube, D. Klocke, M. Ern, L. Hoffmann, P. Preusse, and H. Schmidt, (2019): Gravity waves in global high-resolution simulations with explicit and parameterized convection. J. Geophys. Res. Atmos., 124, doi: 10.1029/2018JD030073


Kontakt:
Dr. Claudia Stephan
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 124
E-Mail: claudia.stephan@we dont want spammpimet.mpg.de