Max-Planck-Institut für Meteorologie: Mechanismen der Wellenentstehung in der unteren Stratosphäre: Überprüfung mit Hilfe von Überdruckballons

Dr. Laura Köhler und Dr. Claudia Stephan vom Max-Planck-Institut für Meteorologie haben zusammen mit Brian Green, Postdoc von der Universität Stanford, Überdruckballons verwendet, um die Fähigkeit globaler sturmauflösender Modelle zu prüfen, konvektiv erzeugte Schwerewellen zu repräsentieren. Sie stellten fest, dass die räumliche Struktur des Wellenfelds, einschließlich der Korrelationen als Funktion des Abstands zur Konvektion, den Beobachtungen gut entspricht. Allerdings sind die Amplituden des Hintergrundflusses in den Beobachtungsdaten um einen Faktor zwei größer als in den Modellen. Das bedeutet, dass sturmauflösende Modelle einen guten Ausgangspunkt darstellen, um die zugrundeliegende Physik der Kopplung zwischen Wellen und Konvektion in der oberen Troposphäre besser zu verstehen.

Insbesondere in den Tropen, wo es viel hochreichende Konvektion gibt, stellt diese eine Quelle atmosphärischer Wellen dar, die Impuls von der Konvektion in andere Bereiche der Atmosphäre transportieren. Konvektion und Wellen können dabei wechselwirken, da Wellen Wolken und Konvektion in benachbarten Regionen verstärken oder unterdrücken können. Häufig sind die Wellen unsichtbar, obwohl sie bei nahezu mit Wasserdampf gesättigter Luft abwechselnd Wolkenstreifen und klaren Himmel hervorrufen können, wobei die Wolken am Wellenkamm entstehen. Diese sind dann sowohl für Beobachter*innen auf der Erde sichtbar als auch mit Hilfe von Satelliten erkennbar. Weiter oben in der Atmosphäre, wo es sehr trocken ist, können sich keine Wolken bilden, sodass Forscher*innen Umwege gehen müssen, um Schwerewellen zu erforschen.

Schwebender Überdruckballon vor schneebedecktem Bergpanorama — Bild zur Verfügung gestellt von Loon

Laura Köhler und ihre Co-Autor*innen haben hochauflösende Modelle mit Beobachtungsdaten von Überdruckballons verglichen, um zu untersuchen, wie gut die Modelle in der Lage sind, Schwerewellen zu simulieren. Dazu nutzten sie Daten, die über sechs Jahre durch das kommerzielle Projekt „Loon“ gesammelt wurden. Dessen Ziel war es, durch solche Ballons Internetzugang in abgelegenen Gegenden zu ermöglichen. Das Projekt wird nicht weiter fortgesetzt, die über Jahre gesammelten Daten wurden aber der Forschung zur Verfügung gestellt. Überdruckballons driften auf Flächen konstanten Drucks in Höhen zwischen 16 und 21 km. Durch Schwerewellen werden sie aus ihrer Gleichgewichtsposition ausgelenkt und sind daher in der Lage, die Schwerewellen zu messen.

Da hochreichende Konvektion die Hauptquelle für Schwerewellen in den Tropen ist, betrachteten die Forscher*innen die Varianz des Vertikalwinds als Funktion des Abstands zur nächstgelegenen Konvektion und verglichen die Loon-Beobachtungen mit sturmauflösenden Modellen aus der DYAMOND Winter Initiative (DYnamics of the Atmospheric general circulation Modeled On Non-hydrostatic Domains). DYAMOND wurde entwickelt, um verschiedene globale sturmauflösende Modelle zu vergleichen und bietet 40-tägige Simulationen von Mitte Januar bis Ende Februar 2020. Im Gegensatz zu klassischen Klimamodellen lösen die DYAMOND-Modelle den Großteil der wichtigen Prozesse explizit auf. Dies erleichtert die Analyse verschiedener Prozesse und den Vergleich mit Beobachtungen.

Für die Modelle berechneten die Autor*innen außerdem den mittleren Schwerewellenimpulsfluss und dessen Varianz. Es zeigte sich, dass es in allen Größen große Unterschiede zwischen den verschiedenen Modellen und den Ballon-Beobachtungen gibt. Der mittlere Fluss in den verschiedenen Modellen variiert um einen Faktor zwei. Die Varianz des Vertikalwinds in Beobachtungen und Modellen unterscheidet sich sogar um eine Größenordnung. Trotz großer Unterschiede in den Wellenamplituden zeigen sowohl die Verteilung des vertikalen Winds als auch das Abklingverhalten mit Abstand zur nächsten Konvektion ähnliche qualitative Charakteristika.

Das sind ermutigende Ergebnisse für zukünftige Projekte, da es bedeutet, dass die Modelle die Fähigkeit besitzen, die grundlegende Physik der Wellen zu erfassen, was die Nutzung der simulierten Daten für die Entwicklung von Parametrisierungen rechtfertigt. Im nächsten Schritt plant die Forschungsgruppe Wolken-Wellen-Kopplung am Max-Planck-Institut für Meteorologie im Rahmen des Projekts DataWave, sturmauflösende Modelle für datengestützte Methoden zu nutzen, d.h. mit maschinellem Lernen Schwerewellenparametrisierungen zu entwickeln. Dies fördert letztendlich Möglichkeiten, Schwerewellen besser in Modellen zu repräsentieren und damit die globale Wetter- und Klimavorhersage zu verbessern.

Originalveröffentlichung

Köhler, L., Green, B., & Stephan, C. 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. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JD038549

Kontakt

Dr. Laura Köhler
Max-Planck-Institut für Meteorologie
laura.koehler@we dont want spammpimet.mpg.de

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