Atmosphärische Energiespektren in globalen kilometerauflösenden Modellen

Dr. Claudia Stephan (Max-Planck-Institut für Meteorologie) und ihre Kolleg*innen Dr. Julia Duras, Dr. Lucas Harris, Dr. Daniel Klocke, Dr. William M. Putman, Dr. Mark Taylor, Dr. Nils P. Wedi, Prof. Nedjeljka Žagar und Dr. Florian Ziemen veröffentlichten einen neuen Artikel in der Zeitschrift Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography, indem die Autor*innen die komplexe, multiskalige Natur der atmosphärischen Variabilität in 40-tägigen Integrationen von fünf verschiedenen globalen sturmauflösenden Modellen mit globalen Gitternetzen feiner als 5 km untersuchen. 

Abb.: Die Windgeschwindigkeit der (oben) rotierenden (langsame Wellen) und (unten) divergierenden (schnelle Wellen) Komponenten des horizontalen Windes am ersten Tag der Simulation. Abgebildet sind Daten aus den Modellen IFS, GEOS und ICON in 30 km Höhe (Credit: Y. Morfa)

Beobachtungen zeigen, dass die atmosphärische Wellenenergie einer relativ einfachen Verteilung über horizontale Skalen folgt, von planetarischen Skalen bis hinunter zu den Skalen kleinräumiger Turbulenzen, eine seit langem bekannte empirische Tatsache.  Die Gründe für dieses Verhalten sind nur unzureichend bekannt, und das Verständnis wurde durch die Schwierigkeit erschwert, die Beobachtungen in Modellen zu reproduzieren, da die Modelle nur einen begrenzten Bereich von Skalen abbilden können. Globale sturmauflösende Simulationen mit Gitternetzen, die feiner als 5 km sind, bieten eine neue Möglichkeit zu erforschen, ob solche Spektren von Modellen robust simuliert werden, und wenn ja, die Prozesse zu verstehen, die bestimmen, wie sich die Wellenenergie über verschiedene Skalen ausbreitet.

 

Die Autor*innen zeigen, dass alle analysierten Modelle die beobachtete Verteilung der Wellenenergien auf synoptischen und sub-synoptischen Skalen wiedergeben, welche horizontalen Wellenlängen von Tausenden bis zu mehreren Hundert Kilometern entsprechen. Allerdings unterscheiden sich die Modelle um bis zu 21 % in der Gesamtwellenenergie sowie in den Wellenenergieverteilungen auf Skalen kleiner als etwa 500 km.

 

Die Studie von Claudia Stephan und Co-Autor*innen ist die erste, die die Methode der Zerlegung in Eigenschwingungs-Funktionen* für den Vergleich von Simulationen im Kilometermaßstab in Bezug auf die simulierten Wellen einsetzt. Diese Technik ermöglicht es, das Wellenspektrum in zwei Wellentypen zu unterteilen. Der eine Wellentyp ist überwiegend mit langsamen Wellen (Rossby-Wellen) und nicht divergierenden horizontalen Winden verbunden, der andere mit schnellen Wellen (Trägheits-Schwere-Wellen) und divergierenden Winden. Die Modelle unterscheiden sich um bis zu 35 % in der Gesamtenergie der Trägheits-Schwere-Wellen und um 24 % in der Gesamtenergie der Rossby-Wellen. Die Aufteilung der Gesamtenergie der Wellen zwischen den beiden Wellentypen hängt von der Art der Turbulenzparametrisierung ab. Die Energieverteilungen auf Skalen von weniger als 500 km sind empfindlich gegenüber der Stärke der tropischen Konvektion. Modelle mit stärkeren konvektiven Aufwinden haben energiereichere kleinskalige Wellen beider Typen. 

 

Die Modelle der DYAMOND-Initiative** sind Gegenstand der neuen Studie. Dank ihres feinen Gitternetzes simulieren sie explizit die Auswirkungen zahlreicher physikalischer Prozesse auf die Zirkulation, wie die Wechselwirkung zwischen der Strömung und der Topographie sowie konvektiven Wolken, die beide wichtige Quellen von Wellen sind, die sich dann in der gesamten Atmosphäre ausbreiten. Die Modelle sind jedoch immer noch mit Unsicherheiten oder Unterschieden bei der Darstellung von Prozessen in kleinerem Maßstab (unter einem Kilometer) behaftet, vom turbulenten Energie- und Impulsaustausch über mikrophysikalische Wolkenprozesse bis hin zu den Auswirkungen von Näherungen bei der numerischen Formulierung, die alle die Entstehung, Ausbreitung und Auflösung von Wellen unabhängig von ihrem Maßstab beeinflussen können. Die Quantifizierung der Auswirkungen der verschiedenen Parametrisierungen auf die aufgelösten Windspektren ist das Ziel einer Folgestudie.

 

Originalveröffentlichung:

Stephan, C.C., Duras, J., Harris, L., Klocke, D., Putman, W.M., Taylor, M., Wedi, N.P., Žagar, N., Ziemen, F. (2022) Atmospheric energy spectra in global kilometre-scale models. Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. https://a.tellusjournals.se/articles/10.16993/tellusa.26/

 

Mehr Informationen:

Webseite der Arbeitsgruppe „Wolken-Wellen Kopplung“ von Claudia Stephan:
https://mpimet.mpg.de/wissenschaft/selbststaendige-forschungsgruppen/wolken-wellen-kopplung

Persönliche Webseite von Claudia Stephan:
https://mpimet.mpg.de/en/staff/claudia-stephan

*Die DYAMOND-Initiative:
https://www.esiwace.eu/services/dyamond-initiative

**Normal mode function decomposition software package MODES:
https://modes.cen.uni-hamburg.de/

 

Kontakt:

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