Wolken-Wellen-Kopplung (Minerva Fast Track FG)
Unsere Gruppe beschäftigt sich mit internen Schwerewellen, die durch Grenzschichtthermik (links) und Konvektion (rechts) erzeugt werden. Interne Wellen können in einer vertikalen Schicht gefangen werden (links) oder sich vertikal und horizontal innerhalb der Troposphäre und Stratosphäre ausbreiten. Ein besonderer Fokus unserer Forschung liegt auf der Frage wie die Schwerewellen die Eigenschaften von Wolken und Niederschlag durch gegenseitige Wechselwirkungen beeinflussen (Mitte).
Vorhersagen darüber, wie sich das Wetter in Zukunft im Mittel und im Hinblick auf Wetterextreme verändern wird, sind schwierig, da viele komplexe Prozesse beteiligt sind. Ein besonders wichtiger Faktor sind dabei niederschlagsbildende hochreichende Konvektionswolken. Atmosphärische Konvektion wird als hochreichend bezeichnet, wenn sie sich von der Erdoberfläche bis oberhalb von 500 hPa erstreckt und üblicherweise an der Tropopause bei etwa 200 hPa endet. Vor allem in den Tropen setzt dieser Prozess erhebliche Energiemengen frei, die sich stark auf das globale Wetter auswirken. Trotz der großen gesellschaftlichen und klimatischen Auswirkungen ist unser Wissen darüber, was die tropische Konvektion steuert, gering. Dies birgt ein erhebliches Potenzial für Überraschungen, wenn sich das Klima erwärmt. Wie ein Stein, der in einen Teich geworfen wird, erzeugt die durch die Kondensation freigesetzte Energie interne atmosphärische Wellen. Sie können neue Konvektion in der mesoskaligen Umgebung (20 bis 500 km) um ihre Quellen unterdrücken, auslösen oder begünstigen. Das bedeutet, dass die Konvektion nicht passiv auf Umweltbedingungen reagiert, die von einer gut abgegrenzten großen Skala aus bestimmt werden (wie es traditionelle Klimamodelle annehmen). Vielmehr entwickeln sich die Konvektion und ihre Umgebung gemeinsam als ein eng gekoppeltes System, bei dem es kaum Anzeichen für eine Trennung der Skalen gibt. In unserer Gruppe kombinieren wir neue globale Modelle auf Kilometerskala, Deep-Learning-Techniken und neuartige Beobachtungsmethoden, um die unsichtbaren Wellen sichtbar zu machen. Dadurch wollen wir ihre Wechselwirkungen mit Konvektion und Zirkulation verstehen und was diese Wechselwirkungen für die globale Erwärmung bedeuten.
Unsere Forschung
Wolkenbildung hat direkte Auswirkungen auf größere Skalen und Mittelwerte des Klimas. Wir untersuchen die Rolle von atmosphärischen Wellen bei der Bildung von Wolkenmustern und niederschlagsbildender Konvektion, die Rolle der Konvektion als Quelle atmosphärischer Wellen und die Kopplung zwischen Wolken- und Wellenfeldern.
Konvektive Prozesse, wie z. B. die bei der Wolkenbildung freigesetzte Kondensationswärme, wirken auf Skalen, die globale Klimamodelle jetzt allmählich auflösen können. Wir sind zwar in der Lage, Wolken zu beobachten, aber den Zusammenhang zwischen Feuchteprozessen und Luftbewegungen zu verstehen, ist seit langem eine Herausforderung. Der Grund hierfür ist, dass das dreidimensionale Windfeld nur schwer direkt zu beobachten ist [1]. Die neue globale Modellierung auf der Kilometerskala macht die Verbindung zwischen der kleinräumigen Konvektion und der großräumigen Zirkulation zu einem Pionierbereich, der im Mittelpunkt unserer Forschung steht.
Interaktionen zwischen atmosphärischen Wellen und der Grenzschicht
Reibungswiderstandswellen
Satellitenbilder zeigen häufig mesoskalige bogenförmige Wolkenstreifen mit einem Abstand von mehreren Dutzend Kilometern (Abb. 1, zweites Bild von links). Diese flachen Wolken bilden sich in der Schicht der Atmosphäre, die an die Meeresoberfläche angrenzt (die Grenzschicht). Im Gegensatz zu anderen mesoskaligen Wolkenphänomenen, wie z. B. horizontalen konvektiven Rollen, richten sich diese Wolkenstreifen nicht nach der Windrichtung aus, sondern bilden sich in einem Winkel von etwa 90° zum oberflächennahen Wind [2]. Wir haben gezeigt, dass die Entstehung dieses Musters eine ähnliche Ursache hat wie die Entstehung von Wellen in Wasser, das über eine Straße fließt (Abb. 2).
Konvektionswellen
Idealisierte Simulationen haben schon vor Jahrzehnten gezeigt, dass flache Wolken Schwerewellen auf kleinen horizontalen Skalen (in der Größenordnung von 10 km) erzeugen können. Wir untersuchen, ob diese Wellen unter bestimmten atmosphärischen Hintergrundbedingungen in der Troposphäre eingefangen werden und die Entwicklung von Wolken beeinflussen können. Für eine 2,5-km-Simulation mit einem Bereich, der den Atlantik abdeckt, haben wir gezeigt, dass die Kopplung zwischen flachen Wolken und blockierten Wellen stark genug ist, um dargestellt zu werden [3]. Mit der Kenntnis des großräumigen atmosphärischen Zustands kann die Wellentheorie zuverlässig die Regionen und Zeiten vorhersagen, in denen Wolken-Wellen-Rückkopplungen für die konvektive Organisation relevant werden.
Unsere aktuelle Forschung erweitert diese modellbasierten Ergebnisse auf Beobachtungen. Wenn Wolken vorhanden sind, sind die Spuren der Wellen auf den Satellitenbildern leicht zu erkennen (Abb. 3).
Wir haben kürzlich eine neue Methode entwickelt, die es uns ermöglicht, solche Wellen automatisch in Satellitenbildern zu erkennen, ohne dabei auf das Vorhandensein von Wolken angewiesen zu sein. Mit der großen Menge an Daten, die diese neue Methode zur Verfügung stellt, versuchen wir herauszufinden, inwieweit diese kurzen Wellen aktiven Einfluss auf die Eigenschaften der Konvektion haben.
Quelle: https://worldview.earthdata.nasa.gov
Mesoskalige vertikale Bewegungen
Die statistischen Eigenschaften von Wolkenfeldern werden auf Skalen von einigen Dutzend bis Hunderten von Kilometern definiert und sind somit mit vertikalen Bewegungen auf diesen Skalen verbunden. Obwohl die mittlere vertikale Bewegung, gemittelt über solche Längenskalen, im Vergleich zu den horizontalen Bewegungen winzig ist, ist sie für die Verteilung des Wasserdampfs und die Wahrscheinlichkeit der Wolkenbildung entscheidend. Die Beobachtung des vertikalen Auf- oder Abstiegs von Luft, gemittelt über Gebiete mit einem Durchmesser von einigen hundert Kilometern (die wir als Mesoskala bezeichnen), ist eine große Herausforderung, und solche Beobachtungen sind selten. Wir haben Daten aus zwei Feldkampagnen analysiert, für die geeignete Beobachtungen vorlagen [4, 5, 2]. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass atmosphärische Schwerewellen, die größer als das betrachtete Gebiet sind, eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Größe der mesoskaligen vertikalen Bewegungen spielen. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, die Konvektion in globalen Simulationen zu untersuchen statt in räumlich begrenzten Bereichen.
Weitere Informationen:
Nicht nur können die Wellen die mesoskalige Konvektion beeinflussen, sondern die Konvektion kann im Gegenzug auch die mesoskalige Vertikalbewegung beeinflussen. In den letzten Jahren wurde eine neue Klasse von atmosphärischen Zirkulationsmodellen entwickelt, die globale Simulationen ermöglichen, bei denen die hochreichende Konvektion aufgelöst wird (Abb. 4). Wir untersuchen, wie empfindlich die Energiespektren der horizontalen und vertikalen Bewegungen auf die simulierte Konvektion reagieren und wie die Eigenschaften der aufgelösten Konvektion das Verhältnis zwischen den horizontalen und vertikalen Spektren beeinflussen.
Weitere Informationen:
Darstellung von Schwerewellen für verbesserte Klimasimulationen
Schwerewellen werden durch Strömungen über die Topographie, konvektive Systeme und Fronten hervorgerufen und breiten sich dann sowohl vertikal als auch horizontal in der Atmosphäre aus. Letztendlich brechen sie oder zerstreuen sich in größerer Höhe und geben den Impuls ab, der den Wellen in ihrer Entstehungsebene verliehen wurde. Aus diesem Grund sind Schwerewellen wichtig für den Antrieb der globalen Zirkulation in der mittleren Atmosphäre. Sie ist für die Umverteilung von Ozon, Wasserdampf und anderen Spurengasen relevant. Die Herausforderung für Klimasimulationen besteht darin, dass einige Wellen Längenskalen von nur zehn Kilometern und Zeitskalen von Minuten bis Stunden haben. Das bedeutet, dass ein großer Teil des Schwerewellenspektrums in Klimamodellen mit niedriger Auflösung nicht aufgelöst wird. Stattdessen müssen ihre Auswirkungen anhand der aufgelösten Strömung geschätzt werden. Ein großes Problem ist das Fehlen von Beobachtungssystemen, die das gesamte Spektrum der Schwerewellen abdecken. Dies und die Notwendigkeit effizienter Berechnungen sind die Hauptgründe für die großen Unsicherheiten bei der Parametrisierung von Schwerewellen, die unsere Möglichkeiten zur Vorhersage der Reaktion der globalen Zirkulation auf eine Klimaerwärmung einschränken.
Im Rahmen des DataWave-Projekts arbeiten wir mit einer internationalen Gruppe von Atmosphären- und Datenwissenschaftler*innen zusammen, um neue Ansätze zur besseren Darstellung von Schwerewellen in Klimamodellen zu entwickeln. Wir kombinieren hochauflösende Positions-, Temperatur-, Druck- und Windbeobachtungen von Überdruckballons mit Modellsimulationen im Kilometermaßstab. Auf diese Weise versuchen wir, die Quellen, die Ausbreitung und das Brechen von Schwerewellen einzugrenzen. Um rechnerisch machbare Darstellungen von Schwerewellen zu erhalten, verwenden wir maschinelles Lernen, um den Impulsübertrag von Schwerewellen zu berechnen (Abb. 5).
[1] Stephan, C.C., N. Žagar and T.G. Shepherd (2021): Waves and coherent flows in the tropical atmosphere: new opportunities, old challenges, Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 147 (738) 2597–2624, doi: 10.1002/qj.4109
[2] Stephan, C.C. (2021): Mechanism for the formation of arc-shaped cloud lines over the tropical oceans, J. Atmos. Sci., 78 (3), 817–824, doi: 10.1175/JAS-D-20-0129.1
[3] Stephan, C.C. (2020): Seasonal modulation of trapped gravity waves and their imprints on trade wind clouds, J. Atmos. Sci., 77, 2993–3009, doi: 10.1175/JAS-D-19-0325.1
[4] Stephan, C.C., T.P. Lane and C. Jakob (2020): Gravity wave influences on mesoscale divergence: An observational case study, Geophys. Res. Lett., 47, doi: 10.1029/2019GL086539
[5] Stephan, C.C. et al. (2021): Ship- and island-based atmospheric soundings from the 2020 EUREC4A field campaign, Earth Sys. Sci. Data, 13, 491–514, doi: 10.5194/essd-13-491-2021–514, doi: 10.5194/essd-13-491-2021
Gruppenmitglieder und Publikationen
- Achatz, U., Alexander, J., Becker, E., Chun, H.-Y., Dörnbrack, A., Holt, L., Ploujonren, R., Polichtchouk, I., Sato, K., Sheshadri, A., Stephan, C., van Niebeik, A. & Wright, C. (2023). Atmospheric gravity waves: processes and parameterization. Journal of the Atmospheric Sciences, online early. doi:10.1175/JAS-D-23-0210.1
- Hohenegger, C., Korn, P., Linardakis, L., Redler, R., Schnur, R., Adamidis, P., Bao, J., Bastin, S., Behravesh, M., Bergemann, M., Biercamp, J., Bockelmann, H., Brokopf, R., Brüggemann, N., Casaroli, L., Chegini, F., Datseris, G., Esch, M., George, G., Giorgetta, M., Gutjahr, O., Haak, H., Hanke, M., Ilyina, T., Jahns, T., Jungclaus, J., Kern, M., Klocke, D., Kluft, L., Kölling, T., Kornblueh, L., Kosukhin, S., Kroll, C., Lee, J., Mauritsen, T., Mehlmann, C., Mieslinger, T., Naumann, A., Paccini, L., Peinado, A., Praturi, D., Putrasahan, D., Rast, S., Riddick, T., Roeber, N., Schmidt, H., Schulzweida, U., Schütte, F., Segura, H., Shevchenko, R., Singh, V., Specht, M., Stephan, C., von Storch, J., Vogel, R., Wengel, C., Winkler, M., Ziemen, F., Marotzke, J. & Stevens, B. (2023). ICON-Sapphire: simulating the components of the Earth System and their interactions at kilometer and subkilometer scales. Geoscientific Model Development, 16, 779-811. doi:10.5194/gmd-16-779-2023 [publisher-version]
- Horváth, Á., Vadas, S., Stephan, C. & Buehler, S. (submitted). One-minute resolution GOES-R observations of Lamb and gravity waves triggered by the Hunga Tonga-Hunga Ha'apai eruptions on 15 January 2022. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. doi:10.22541/essoar.168565406.64574148/v1
- Köhler, L., Green, B. & Stephan, C. (2023). Comparing Loon superpressure balloon observations of gravity waves in the tropics with global storm-resolving models. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 128: e2023JD038549. doi:10.1029/2023JD038549
- Morfa Avalos, Y. & Stephan, C. (2023). The relationship between horizontal and vertical velocity wavenumber spectra in global storm-resolving simulations. Journal of the Atmospheric Sciences, 80, 1087-1105. doi:10.1175/JAS-D-22-0105.1
- Stephan, C. & Stevens, B. (submitted). Dynamical imprints on precipitation cluster statistics across a hierarchy of high-resolution simulations. Science Advances, submitted.
- Vicari, R., Stephan, C., Lane, T. & Huang, Y. (submitted). Analysis of automatically detected small-scale internal waves in GOES-16 water vapor-sensitive imagery. Journal of Geophysical Research: Atmospheres.
- Stephan, C., Duras, J., Harris, L., Klocke, D., Putman, W., Taylor, M., Wedi, N., Žagar, N. & Ziemen , F. (2022). Atmospheric energy spectra in global kilometre-scale models. Tellus Series A-Dynamic Meteorology and Oceanography, 74, 280-299. doi:10.16993/tellusa.26 [publisher-version]
- Stephan, C., Schnitt, S., Schulz, H., Bellenger, H., de Szoeke, S., Acquistapace, C., Baier , K., Dauhut, T., Laxenaire, R., Morfa Avalos, Y., Person, R., Meléndez, E., Bagheri, G., Böck, T., Daley, A., Güttler, J., Helfer, K., Los, S., Neuberger, A., Röttenbacher, J., Raeke, A., Ringel, M., Ritschel, M., Sadoulet, P., Schirmacher, I., Stolla, M., Wright, E., Charpentier, B., Doerenbecher, A., Wilson, R., Jansen, F., Kinne, S., Reverdin, G., Speich, S., Bony, S. & Stevens, B. (2021). Ship- and island-based atmospheric soundings from the 2020 EUREC4A field campaign. Earth System Science Data, 18, 491-514. doi:10.5194/essd-13-491-2021 [publisher-version]
- Stephan, C. & Mariaccia, A. (2021). The signature of the tropospheric gravity wave background in observed mesoscale motion. Weather and Climate Dynamics, 2, 359-372. doi:10.5194/wcd-2-359-2021 [publisher-version]
- Stephan, C. (2021). Mechanism for the formation of arc-shaped cloud lines over the tropical oceans. Journal of the Atmospheric Sciences, 78, 817-824. doi:10.1175/JAS-D-20-0129.1 [publisher-version]
- Stephan, C., Zagar, N. & Shepherd, T. (2021). Waves and coherent flows in the tropical atmosphere: new opportunities, old challenges. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 147, 2597-2624. doi:10.1002/qj.4109 [publisher-version]
- Stevens, B., Bony, S., Farrell, D., Ament, F., Blyth, A., Fairall, C., Karstensen, J., Quinn, P., Speich, S., Acquistapace, C., Aemisegger, F., Albright, A., Bellenger, H., Bodenschatz, E., Caesar, K.-A., Chewitt-Lucas, R., de Boer, G., Delanoë, J., Denby, L., Ewald, F., Fildier, B., Forde, M., George, G., Gross, S., Hagen, M., Hausold, A., Heywood, K., Hirsch, L., Jacob, M., Jansen, F., Kinne, S., Klocke, D., Kölling, T., Konow, H., Lothon, M., Mohr, W., Naumann, A., Nuijens, L., Olivier, L., Pincus, R., Pöhlker, M., Reverdin, G., Roberts, G., Schnitt, S., Schulz, H., Siebesma, A., Stephan, C., Sullivan, P., Touzé-Peiffer, L., Vial, J., Vogel, R., Zuidema, P., Alexander, N., Alves, L., Arixi, S., Asmath, H., Bagheri, G., Baier , K., Bailey, A., Baranowski, D., Baron, A., Barrau, S., Barrett, P., Batier, F., Behrendt, A., Bendinger, A., Beucher, F., Bigorre, S., Blades, E., Blossey, P., Bock, O., Böing, S., Bosser, P., Bourras, D., Bouruet-Aubertot, P., Bower, K., Branellec, P., Branger, H., Brennek, M., Brewer, A., Brilouet, P.-E., Brügmann, B., Buehler, S., Burke, E., Burton, R., Calmer, R., Canonici, J.-C., Carton, X., Cato, G., Charles, J., Chazette, P., Chen, Y., Chilinski, M., Choularton, T., Chuang, P., Clarke, S., Coe, H., Cornet, C., Coutris, P., Couvreux, F., Crewell, S., Cronin, T., Cui, Z., Cuypers, Y., Daley, A., Damerell, G., Dauhut, T., Deneke, H., Desbios, J.-P., Dörner, S., Donner, S., Douet, V., Drushka, K., Dütsch, M., Ehrlich, A., Emanuel, K., Emmanouilidis, A., Etienne, J.-C., Etienne-Leblanc, S., Faure, G., Feingold, G., Ferrero, L., Fix, A., Flamant, C., Flatau, P., Foltz, G., Forster, L., Furtuna, I., Gadian, A., Galewsky, J., Gallagher, M., Gallimore, P., Gaston, C., Gentemann, C., Geyskens, N., Giez, A., Gollop, J., Gouirand, I., Gourbeyre, C., de Graaf, D., de Groot, G., Grosz, R., Güttler, J., Gutleben, M., Hall, K., Harris, G., Helfer, K., Henze, D., Herbert, C., Holanda, B., Ibanez-Landeta, A., Intrieri, J., Iyer, S., Julien, F., Kalesse, H., Kazil, J., Kellman, A., Kidane, A., Kirchner, U., Klingebiel, M., Körner, M., Kremper, L., Kretzschmar, J., Krüger, O., Kumala, W., Kurz, A., L'Hégaret, P., Labaste, M., Lachlan-Cope, T., Laing, A., Landschützer, P., Lang, T., Lange, D., Lange, I., Laplace, C., Lavik, G., Laxenaire, R., Le Bihan, C., Leandro, M., Lefevre, N., Lena, M., Lenschow, D., Li, Q., Lloyd, G., Los, S., Losi, N., Lovell, O., Luneau, C., Makuch, P., Malinowski, S., Manta, G., Marinou, E., Marsden, N., Masson, S., Maury, N., Mayer, B., Mayers-Als, M., Mazel, C., McGeary, W., McWilliams, J., Mech, M., Mehlmann, M., Meroni, A., Mieslinger, T., Minikin, A., Minnett, P., Möller, G., Morfa Avalos, Y., Muller, C., Musat, I., Napoli, A., Neuberger, A., Noisel, C., Noone, D., Nordsiek, F., Nowak, J., Oswald, L., Parker, D., Peck, C., Person, R., Philippi, M., Plueddemann, A., Pöhlker, C., Pörtge, V., Pöschl, U., Pologne, L., Posyniak, M., Prange, M., Meléndez, E., Radtke, J., Ramage, K., Reimann, J., Renault, L., Reus, K., Reyes, A., Ribbe, J., Ringel, M., Ritschel, M., Rocha, C., Rochetin, N., Röttenbacher, J., Rollo, C., Royer, H., Sadoulet, P., Saffin, L., Sandiford, S., Sandu, I., Schäfer, M., Schemann, V., Schirmacher, I., Schlenczek, O., Schmidt, J., Schröder, M., Schwarzenboeck, A., Sealy, A., Senff, C., Serikov, I., Shohan, S., Siddle, E., Smirnov, A., Späth, F., Spooner, B., Stolla, M., Szkółka, W., de Szoeke, S., Tarot, S., Tetoni, E., Thompson, E., Thomson, J., Tomassini, L., Totems, J., Ubele, A., Villiger, L., von Arx, J., Wagner, T., Walther, A., Webber, B., Wendisch, M., Whitehall, S., Wiltshire, A., Wing, A., Wirth, M., Wiskandt, J., Wolf, K., Worbes, L., Wright, E., Wulfmeyer, V., Young, S., Zhang, C., Zhang, D., Ziemen, F., Zinner, T. & Zöger, M. (2021). EUREC4A. Earth System Science Data, 13, 4067-4119. doi:10.5194/essd-13-4067-2021 [publisher-version]
- Fiedler, S., Crueger, T., D'Agostino, R., Peters, K., Becker, T., Leutwyler, D., Paccini, L., Burdanowitz, J., Buehler, S., Uribe, A., Dauhut, T., Dommenget, D., Fraedrich, K., Jungandreas, L., Maher, N., Naumann, A., Rugenstein, M., Sakradzija, M., Schmidt, H., Sielmann, F., Stephan, C., Timmreck, C., Zhu , X. & Stevens, B. (2020). Simulated tropical precipitation assessed across three major phases of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). Monthly Weather Review, 148, 3653-3680. doi:10.1175/MWR-D-19-0404.1 [publisher-version][supplementary-material]
- Guo, L., van der Ent, R., Klingaman, N., Demory, M.-E., Vidale, P., Turner, A., Stephan, C. & Chevuturi, A. (2020). Effects of horizontal resolution and air-sea coupling on simulated moisture source for East Asian precipitation in MetUM GA6/GC2. Geoscientific Model Development, 13, 6011-6028: 266. doi:10.5194/gmd-13-6011-2020 [publisher-version][supplementary-material]
- Stephan, C., Lane, T. & Jacob, C. (2020). Gravity wave influences on mesoscale divergence: An observational case study. Geophysical Research Letters, 47: e2019GL086539. doi:10.1029/2019GL086539 [supplementary-material][publisher-version]
- Stephan, C. (2020). Seasonal modulation of trapped gravity and their imprints on trade wind clouds. Journal of the Atmospheric Sciences, 77, 2993-3009. doi:10.1175/JAS-D-19-0325.1 [publisher-version]
- Stephan, C., Schmidt, H., Zülicke, C. & Matthias, V. (2020). Oblique gravity wave propagation during sudden stratospheric warmings. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125: e2019JD031528. doi:10.1029/2019JD031528 [supplementary-material][publisher-version]
- Heale, C., Snively, J., Bhatt, A., Hoffmann, L., Stephan, C. & Kendall, E. (2019). Multilayer observations and modeling of thunderstorm-generated gravity waves over the Midwestern United States. Geophysical Research Letters, 46, 14164-14174. doi:10.1029/2019GL085934 [publisher-version]
- Stephan, C., Strube, C., Klocke, D., Ein, M., Hoffmann, L., Preusse, P. & Schmidt, H. (2019). Intercomparison of gravity waves in convection-permitting models. Journal of the Atmospheric Sciences, 76, 2739-2759. doi:10.1175/JAS-D-19-0040.1 [publisher-version]
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