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Role of gravity waves in the Southern Hemispheric circulation and climate

WASCLIM - ein ROMIC II Projekt (2019-2022)

WASCLIM ist ein Projekt des Forschungsvorhabens
Role Of the Middle atmosphere In Climate (ROMIC-II)

ROMIC-II (Bekanntmachung) ist der Nachfolger des Forschungsvorhabens ROMIC. In der zweiten Phase von ROMIC soll der Einfluss der mittleren Atmosphäre auf das Klima in der Troposphäre noch stärker in den Fokus gerückt werden. Die zentralen Forschungsfragen sind dabei:

A. Wie induziert die Variabilität der Sonne, über Veränderungen bei Zirkulation, physikalischen Prozessen und chemischer Zusammensetzung der mittleren Atmosphäre, Veränderungen im Klima der Troposphäre?

B. Wie koppeln Antriebe aus der Troposphäre, insbesondere anthropogene Einflüsse, über Wirkungen auf die mittlere Atmosphäre wieder in die Troposphäre und verändern das Klima?

BMBF
FONA

Atmosphärische Schwerewellen

 Konvektion, Fronten, Überströmung von Gebirgen und spontane Ausgleichsprozesse an troposphärischen Jetstreams sind Auslöser für sich ausbreitende Schwerewellen (GWs) in der Troposphäre und der unteren Stratosphäre (Smith 1979, Gill 1982, Baines 1995, Fritts and Alexander 2003, Sutherland 2010, Nappo 2012, Plougonven and Zhang 2014). Generell, kann man zwischen orographischen GWs und nicht-orographischen GWs (OGWs und NOGWs) unterscheiden. Aufgrund ihrer Fernwirkung, sind GWs ein wichtiger Kopplungsmechanismus in der Erdatmosphäre und die damit verbundene Impulsablagerung wird als orographischer bzw. nicht-orographischer Schwerewellenwiderstand (OGWD, NOGWD) bezeichnet. Diese Umverteilung von Impuls und Energie bestimmt die globale Zirkulation in der mittleren Atmosphäre (Dunkerton 1978, Lindzen 1981, Alexander et al. 2010).

Problemstellung: fehlender Schwerewellenwiderstand bei 60° S

 Vergleiche von stratosphärischen Zonalmitteln des GW Impulsflusses (GWMFs) in globalen Zirkulationsmodellen (GCMs) mit Satellitendaten zeigen die große Variabilität aktueller Schwerewellenparametrisierungen. Einige Charakteristiken werden in Bezug auf die Magnituden und die Breitenabhängigkeit recht gut wiedergegeben, es gibt allerdings auch große Abweichungen. Besonders auffallend sind dabei die "Lücke" im simulierten, zonal gemittelten GWMFs im Bereich von 60° S im Winter (Geller et al. 2013) und die großen Maximalwerte über den Gebirgen, was so von Satelliten wie SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry) and HIRDLS (High Resolution Dynamics Limb Sounder) nicht beobachtet wird (Geller et al. 2013). In den meisten GCMs findet sich eine systematische Abweichung in der simulierten polaren, stratosphärischen Zirkulation der Südhemisphäre (SH). Diese Abweichung ist als "cold pole bias" in z.B. dem Kanadischen Mittelatmosphären Modell (CMAM) oder dem Atmosphärischen Community Klimamodell (WACCM) (SPARC CCMVal 2010, Butchart et al. 2011) zu finden, denn die Modelle unterschätzen die Temperatur der polaren Stratosphäre. Durch die isolierte, kalte stratosphärische Luft und eine zu geringe planetare Wellenaktivität, kommt es im Frühling zu einem signifikant verspäteten Zusammenbruch des polaren Wirbels in der Südhemisphäre. Höchst wahrscheinlich ist die vereinfachte Darstellung von GWs eine der Hauptursachen für diese Abweichungen bei der Simulation des stratosphärischen Klimas der SH.
Bezugnehmend auf ein Zitat von T. G. Shepherd lässt sich zusammenfassend sagen, dass das Problem der Parametrisierung von nicht-aufgelösten GWs und ihr sensitives Zusammenspiel mit der großskaligen Dynamik eine der größten Unsicherheiten in der Klimamodellierung darstellt (Shepherd 2014).

 OGWs spielen wahrscheinlich eine wichtige Rolle, aber auch andere Prozesse können eine Erklärung für den "fehlenden Schwerewellenwiderstand bei 60° S" sein (de la Cámara et al. 2016). Generell kann der physikalische Ursprung des beobachteten GWMF bei 60° S durch verschiedene Mechanismen erklärt werden: (i) Die stromabwärts gerichtete Advektion und meridionale Refraktion von OGWs von den südlichen Anden und der Antarktischen Halbinsel in den polaren Stratosphärenjet (PNJ)(Sato et al. 2009). (ii) Nicht-aufgelöste OGWs von kleinen Inseln (Alexander et al. 2009, Alexander and Grimsdell 2013). (iii) Sekundäre GWs, welche dort direkt lokal in den Brechungsregionen dieser OGWs erzeugt werdeni (Hindley et al. 2015). (iv) NOGWs von Quellen, welche mit den Zugbahnen der Winterstürme im Südozean in Verbindung stehen (Hendricks et al. 2014). (v) Eine zonale gleichmäßige Verteilung von Wellen kleiner Amplitude durch nicht-orographischen Mechanismen wie spontane Ausgleichsprozesse und Instabilitäten entlang der Kante des PNJ (Hindley et al. 2015).

Das Projekt

 Das Projekt WASCLIM untersucht den Einfluss von Schwerewellen auf die stratosphärische Zirkulation und das Klima der Sudhemisphäre anhand von Beobachtungen, hochaufgelösten numerischen Simulationen, meteorologischen Reanalysedaten und Klimamodellierung. Die Entwicklung und Implementierung einer einfachen Parametrisierung für die horizontale Ausbreitung der Schwerewellen sowie anschließende Klimasensitivitätssimulationen helfen dabei die resultierenden Effekte auf das troposphärische Klima und die Klimaveränderungen zu quantifizieren. Im Projekt werden bodengebundene Langzeitmessungen mit dem autonomen Temperaturlidar CORAL (Compact Rayleigh Autonomous Lidar) an der Sudspitze von Südamerika weitergeführt. Diese werden mit episodischen flugzeuggetragenen Messungen, u.a. mit dem neuen ALIMA (Airborne Lidar for Studying the Middle Atmosphere) Instrument und GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere) auf dem deutschen Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) und boden-gebundenen Meteorradar Messungen ergänzt.

 Die Region um die Anden und die Antarktische Halbinsel zeichnet sich durch auffällige stratosphärische Schwerewellenaktivität aus. Der gesammelte Datensatz deckt unterschiedliche Schwerewellenquellen ab und wird mit hochaufgelösten Simulationen des ICON Modells auf konsistente Weise vervollständigt werden. Dieser Datensatz wird zusammen mit Analysen des Schwerewellenwiderstands in Reanalysedaten dazu verwendet werden, eine Parametrisierung zu entwickeln, welche die horizontale Ausbreitung von GWs nachbildet. Die hochaufgelösten Simulationen werden des Weiteren zur Evaluierung der Parametrisierung in den Simulationen, die mit dem EMAC Klimamodell (= globales Klima- und Chemie-Simulationssystem deutscher Forschungseinrichtungen) für spezifische Episoden der Kampagne durchgeführt werden, verwendet. Die nötige, statistische Beurteilung der im Mittel angemessenen Repräsentation der Schwerewellen im modifizierten EMAC erfolgt anhand der Langzeit-Reanalysedaten.




Neuigkeiten im Projekt (Stand 2. Sept 2021)

zukünftig: Von 28.-30. September 2021 ist ein wissenschaftlicher Workshop zu "Schwerewellen in der Region um die südlichen Anden" geplant (virtuell)

♦ Das ROMIC-II Kick-off Treffen fand am 26. Februar 2021 als virtuelles Treffen statt.

♦ Ein virtuelles SouthTRAC-Schwerewellen Treffen hat am 26./27./28. October 2020 stattgefunden.

♦ Der erste SouthTRAC UTLS Chemistry and Transport Workshop wurde am 22./23. September 2020 als virtuelles Treffen durchgeführt.

♦ Das erste Datentreffen zum Schwerewellenteil der SouthTRAC Kampagne hat am 20./21. Januar 2020 am DLR in Oberfaffenhofen stattgefunden.

♦ Die Flugzeugmessungen wurden im Rahmen der SouthTRAC Kampagne im September und November 2020 erfolgreich durchgeführt. Für weitere Informationen besuchen Sie die SouthTRAC Webseite.

BMBF
FONA

Arbeitspakete

Die im Projekt vorhandenen Arbeiten sind in 5 wissenschaftliche Arbeitspakete und ein Arbeitsprojekt für deren Koordination gegliedert.

AP0: Projekt Koordination (DLR)
AP1: Beobachtungen (DLR, FZJ, KIT, IAP)
AP2: Mesoskalige Modellierung (DLR)
AP3: Reanalysen (LMU)
AP4: Parametrisierung (FZJ)
AP5: Klimamodellierung (DLR)

Halo

AP1: Beobachtungen

Das Arbeitspaket 1 beinhaltet die Durchführung der bodengebundenen und flugzeuggetragen Messungen. Ziel ist es die Schwerewellenaktivität und die Schwerewellenimpulsflüsse in der Troposphäre und mittleren Atmosphäre in der Region um die südlichen Anden und die Antarktische Halbinsel zu erfassen und zu quantifizieren. Der Fokus der bodengebundenen Messungen liegt dabei auf den orographischen Schwerewellen der südlichen Anden und deren zeitlicher Entwicklung (Langzeitmessungen). Mesosphärische Windmessungen sind relevant für die Quantifizierung der Tiden und der Dopplerverschiebung der bodengebundenen Messungen. Fernerkundungs- und Insitu-Messungen auf HALO erweitern das Messvolumen und erlauben die Untersuchung von nicht-orographischen Schwerewellen sowie der horizontalen Schwerewellenausbreitung in der Region. Die flugzeuggetragenen Messungen fanden im Zeitraum September bis November 2019 im Rahmen der SouthTRAC Kampagne statt. Dabei nahmen das neu entwickelte Rayleigh Lidar ALIMA, welches die mittlere Atmosphäre und untere Thermosphäre abdeckt, und der Infrarot Imager GLORIA, welcher die obere Troposphäre und untere Stratosphäre abdeckt, eine Schlüsselrolle ein. Die einzigartige Kombinationen dieser beiden einzigartigen Messinstrumente ermöglicht die Untersuchung der komplexen Schwerewellenstrukturen in der Atmosphäre.

icon

AP2: Mesoskalige Modellierung

Das Arbeitspaket 2 beschäftigt sich mit globalen sowie mesoskaligen Simulationen der beobachteten Schwerewellenereignisse mit dem ICON Modell (Zängl et al. 2015) des Deutschen Wetterdienstes (DWD). Die mesoskaligen Simulationen erreichen durch ein lokales Nest eine Modellauflösung von ungefähr 1 km und lösen damit einen Großteil des Schwerewellenspektrums direkt auf. Die zeitliche Entwicklung und räumliche Verteilung des Schwerewellenimpulsflusses kann in den Simulationen bestimmt werden und mit den Beobachtungen und deren Auswertungen abgeglichen werden. Dieser Abgleich wird sowohl für die globalen ICON Simulationen, welche auf orographische und nicht-orographische Schwerewellenparametrisierungen angewiesen sind, als auch für die hochaufgelösten Simulationen, welche zuverlässige 4D (Zeit und Ort) Schwerewelleninformation enthalten, durchgeführt. Auf diese Weise helfen die ICON Daten die Verbindung zwischen den Inhalten und Ergebnissen in der vereinfachten Modellwelt (AP3, AP4 und AP5) und den tatsächlichen Atmosphärischen Beobachtungen (AP1).

reanalyses

AP3: GW Flüsse und damit verbundene Strömungsveränderungen in Reanalysen

Das Ziel dieses Arbeitspakets ist es, eine Brücke zwischen den detaillierten GW-Analysen der Messkampagne und der allgemeinen Darstellung von GWs in Klimamodellen (AP5) zu schlagen. Das ist nötig, um das im Rahmen der Messkampagne gewonnene Wissen in einen statistische Charakterisierung zur überführen, die zur Verbesserung der Schwerewellenparametrisierung in Klimamodellen benötigt wird. Zu diesem Zweck werden wir den Schwerewellenimpuls und den damit verbundene Antrieb der mittleren Strömung in der polaren Stratosphäre der Südhemisphäre anhand mehrerer ECMWF-Reanalyseprodukte sowie operationellen Analysen quantifizieren. Fehlender und/oder falsch repräsentierter Schwerewellenwiderstand wird sowohl direkt aus den Analyseinkrementen der Datenassimilation als auch indirekt aus dem Residuum des Impuls-Budgets abgeleitet. Die erwarteten Ergebnisse werden einerseits die Beobachtungen mit vergangenen Aufzeichnungen verknüpfen, andererseits sind sie die Grundlage für die verbesserte Schwerewellenparametrisierung in EMAC basierend auf durch Beobachtungen eingeschränkte, globalen Modellläufen.

reanalyses

AP4: Budget der lateralen Schwerewellenausbreitung von unterschiedlichen Quellen: Entwicklung einer Parametrisierung

In diesem Arbeitspaket wird nach einer effizienten Möglichkeit gesucht, um die horizontale Schwerewellenausbreitung in einem GCM darzustellen und so den hohen Schwerewellenimpulsfluss im PNJ der Südhemisphäre durch, im Vergleich zu früheren Studien realistischere, Prozesse zu reproduzieren. Der im PNJ enthaltene Schwerewellenimpulsfluss ist durch die Stärke der Quelle, den horizontalen und vertikalen Ausbreitungswegen der Schwerewellen und ob sie den PNJ erreicht, sowie die Dissipation und Filterung, die die GWs erfahren, gegeben. In den herkömmlichen Parametrisierungen, die in den GCMs implementiert sind, breiten sich parametrisierte Schwerewellen nur vertikal aus. Raytracing ermöglicht es, die horizontale Ausbreitung abzubilden. Um jedoch die mit Klimasimulationen verbundenen hohen Rechenkosten zu reduzieren, verfolgen wir einen anderen Ansatz. Unser Ansatz besteht darin, Raytracing offline durchzuführen, die Ergebnisse statistisch auszuwerten und Nachschlagetabellen zu erstellen. Für jede orographische Quelle liefern diese eine Wahrscheinlichkeitsverteilung µ, die statistisch ausdrückt, zu welchen Orten sich Schwerewellen in der ausgewerteten Höhe ausbreiten. Mit anderen Worten, wir werden Schwerewellen von einer bestimmten Quelle an alle Stellen in der unteren Stratosphäre verteilen, an denen µ positiv ist.

emac

AP5: Globale Modellierung mit EMAC

Ziel dieses Arbeitspakets ist es, die Darstellung von Schwerewellen in globalen Modellen unter Berücksichtigung der Ergebnissen aus den anderen Arbeitspaketen zu verbessern. Schwerewellenimpulsfluss und -widerstand aus Beobachtungen, hochaufgelösten Simulationen und Reanalysen werden als Grundlage für die Evaluierung der Schwerewellenaktivität im globalen Modell dienen. Während hochauflösende Modelldaten mit EMAC-Simulationen für bestimmte Episoden der Kampagne verglichen werden können, kann die statistische Darstellung von Schwerewellen im Modell nur mit Langzeitdaten des Schwerewellenantriebs, wie sie aus Reanalysedaten hervorgehen, ausgewertet werden. Die in AP4 entwickelte vereinfachte horizontale Ausbreitungsparametrisierung wird in EMAC implementiert. Es wird der Einfluss der geänderten Schwerewellenverteilung auf die Modellierung der klimatologischen mittleren Zirkulation der Stratosphäre, die Reaktion der stratosphärischen Zirkulation auf anthropogenen Antrieb und schließlich die dynamische Kopplung der Änderungen in der stratosphärischen Zirkulation mit dem troposphärischen Klima untersucht. Insbesondere werden wir uns auf den fehlenden Schwerwellenwiderstand bei 60 ° S konzentrieren, indem wir 1) einen Vergleich mit Beobachtungsdaten durchführen, um die Natur der "Lücke" genauer zu identifizieren, und 2) spezielle Sensitivitätsstudien in Bezug auf Änderungen in der Schwerewellenparametrisierung. Wir untersuchen die Hypothese, dass der fehlende Schwerwellenwiderstand in Modellen bei 60° S in der Stratosphäre auf die fehlende horizontale Ausbreitung von orographischen Schwerewellen zurückzuführen ist. Als alternative Hypothese testen wir, ob zusätzliche Schwerwellen-Quellen (orographisch oder nicht-orographisch) bei 60° S erforderlich sind, um den fehlenden Schwerewellenwiderstand bei 60° S zu erklären. Dabei werden wir untersuchen, ob die Auswirkungen auf die mittlere stratosphärische Zirkulation durch Änderung der Schwerewellenausbreitung (Umverteilung von GWD mit denselben Quellen) bzw. zusätzlichen Quellen dieselben sind.

Forschungseinrichtungen


DLR

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Institut für Physik der Atmosphäre


FZJ

Forschungszentrum Jülich

Institut für Energie- und Klimaforschung



LMU

Ludwig-Maximilians-Universität München

Meteorologisches Institut München


IAP

Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik


KIT

Karlsruhe Institut für Technologie

Institut für Meteorologie und Klimaforschung


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