Lucia Göring und Volkmar Wirth
Die Idee des Projektes besteht darin, zu untersuchen, in wie weit das Wolkeneis Einfluss auf die globalskalige tropische und subtropische Dynamik hat. Eiswolken haben andere Strahlungseigenschaften als Wasserwolken, und bei den Phasenumwandlungsprozessen zwischen Wasser und Eis wird Energie erzeugt und vernichtet. Die Energiebilanz mit Eiswolken unterscheidet sich also von der Energiebilanz einer eiswolkenfreien Atmosphäre.
Die Verteilung von Energiequellen und -Senken treibt die globale Zirkulation (zum Beispiel Hadley-Zelle, Passatwinde) an. Aufgrund der veränderten Energiebilanz lässt sich vermuten, dass das Wolkeneis die großskalige Dynamik beeinflussen kann.
Zur Untersuchung der Struktur der globalen Zirkulation werden Modell-Läufe mit dem Global-Modell Europa (GME) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) durchgeführt. Im Jahr 2003 wurde im Rahmen einer Diplomarbeit am Institut für Physik der Atmosphäre der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Zusammenarbeit mit dem DWD die Wolkeneisphase als prognostische Größe in das GME implementiert (Maus 2003). Bei Vorhersageläufen, in denen das Modell einmal mit und einmal ohne Wolkeneis arbeitete, wurden interessante Unterschiede sichtbar. Besonders in den Tropen waren die Differenzen im Niederschlagsfeld sehr groß. Dies diente als Hinweis dafür, dass sich in der Struktur der Zirkulation etwas Grundlegendes geändert haben könnte.
Differenz des Gesamtniederschlages über ein Jahr Modellrechnung zwischen dem Modell-Lauf mit Wolkeneis
und dem Modell-Lauf ohne Wolkeneis in mm (Maus 2003).
Als Vorbereitung auf die Projektarbeit im SFB wurden in einer Diplomarbeit Modell-Läufe mit einer idealisierten Version des GME durchgeführt (Göring 2005). Hierbei wurde das GME in einer so genannten Aquaplanetversion benutzt, das heißt, dass sämtliche Kontinente entfernt worden sind und der Planet von einer Wasserschicht bedeckt ist. Die Verteilung der Meeresoberflächentemperatur ist hierbei zeitlich konstant. Weitere Vereinfachungen im Modell erfolgten nach der Vorgabe des Aqua-Planet-Experimentes, einem Projekt, das zu Vergleichsstudien unterschiedlicher globaler Zirkulationsmodelle dient (Neale und Hoskins, 2001). Ferner wurde eine gröbere Auflösung des Modellgitters (240 km statt 60 km) gewählt.
Ein Ergebnis der oben genannten Arbeit ist, dass bei Vergleich der Modell-Läufe mit und ohne Wolkeneis ähnliche Unterschiede im Niederschlagsfeld zu sehen sind wie in den Vergleichsstudien des nicht idealisierten operationellen Modells mit feinerer Auflösung aus der Arbeit von Maus (2003). Anhand der Felder für den Niederschlag lässt sich erkennen, dass es im Modell-Lauf ohne Wolkeneis statt einer innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) zwei deutlich ausgeprägte ITCZs gibt. Das steht auch im Zusammenhang mit einer veränderten Hadley-Zirkulation im Modell-Lauf ohne Wolkeneis.
Vergleich des Gesamtniederschlages in mm/Tag für den Modell-Lauf mit Wolkeneis (links) und den Modell-Lauf ohne Wolkeneis (rechts). Statt einer ITCZ treten
im Modell-Lauf ohne Wolkeneis zwei ITCZs auf (Göring 2005)
Ziel des Teilprojekts B1 ist, diese Unterschiede genauer zu untersuchen und theoretische Ansätze für das Zusammenspiel der Wolkeneisphase und der großskaligen Dynamik unter Zuhilfenahme bekannter Theorien zur globalen Zirkulation (zum Beispiel Held und Hou, 1980) zu entwickeln. Ferner sollen die gewonnenen Erkenntnisse dazu dienen, die Parametrisierung der Wolkeneisphase in numerischen Modellen für die Zukunft weiter zu verbessern.
Kontakt: Lucia Göring, Institut für Physik der Atmosphäre, 55099 Mainz
Literatur:
Göring, L., 2005: Die tropische Zirkulation auf einem Aquaplaneten: Langzeitläufe mit dem Global-Modell Europa des DWD. Diplomarbeit, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Held, I. M. und A. Y. Hou, 1980: Nonlinear Axially Symmetric Circulations in a Nearly Inviscid Atmosphere. J. Atmos. Sci., 37, 515-533
Majewski et al., 2002: The Operational Global Icosahedral-Hexagonal Gridpoint Model GME: Description and High-Resolution Tests. Mon. Wea. Rev., 130, 319-338
Maus, S., 2003: Implementierung, Validierung und Verifizierung der Wolkeneisphase im Globalmodell GME des DWD. Diplomarbeit, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Neale, R. und B. Hoskins, 2001: A standard test for AGCMs including their physical parametrizations: I: The Proposal. Atmos. Sci. Let., doi:10.1006/asle.2000.0019