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Auswirkung von ET auf die Entwicklung von Wettersystemen in den mittleren Breiten: Idealisierte Modellierungen

Auswirkung von ET auf die Entwicklung von Wettersystemen in den mittleren Breiten: Idealisierte Modellierungen
Ansprechpartner:M. Riemer
Projektgruppe:Wettersysteme: Modellierung und Gefährdungsanalyse

Beschreibung

1. Einleitung und Motivation
Der Einfluss tropischer Wirbelstürme auf das Wettergeschehen in den mittleren Breiten wird noch weitgehend unterschätzt. Polwärts wandernde tropische Wirbelstürme schwächen sich in der Regel ab, wenn sie sich den mittleren Breiten nähern. Zugleich durchlaufen sie strukturelle Änderungen, durch die sie verstärkt die Merkmale eines außertropischen Tiefdruckgebietes annehmen. Diesen Vorgang bezeichnet man als außertropischen Übergang (engl.: extratropical transition, ET), den z.B. im Nordatlantik im Mittel fast die Hälfte aller tropischer Wirbelstürme durchlaufen. Dabei kann sich ein ET-System sehr rasch zu einem starken außertropischen Sturmtief entwickeln. Ein tropischer Wirbelsturm kann auch schon bevor er sich in ein außertropisches Tief umwandelt das Strömungsmuster der mittleren Breiten großskalig verändern, indem er am Gradienten der potentiellen Vorticity (PV) des Strahlstromes einen Rossby-Wellenzug (RWZ) anregt, der sich daraufhin stromabwärts ausbreitet. Über diesen Mechanismus kann ein ET-Ereignis im Westatlantik starke Zyklogenese im Ostatlantik/Westeuropa auslösen und schwere Niederschlagsereignisse im Mittelmeerraum und an den Südalpen begünstigen. Weitere Fallstudien legen die Vermutung nahe, dass, insbesondere bei letzterem Punkt, auch ein verstärkter Wasserdampftransport aus den Tropen in die mittleren Breiten durch das ET-System eine wichtige Rolle spielt. Eine wichtige offene Frage ist außerdem, ob es bestimmte Strömungsmuster in den mittleren Breiten gibt, die gegenüber dem Einfluss eines Wirbelsturmes stabil sind oder mit einer starken Veränderung reagieren.
Numerische Wettervorhersagemodelle haben Schwierigkeiten die Entwicklung stromabwärts eines ET-Systems richtig darzustellen. Aktuelle Arbeiten mit Ensemble-Vorhersagesystemen  zeigen, dass die Verlässlichkeit der Wettervorhersage beim Auftreten von ET-Systemen merklich reduziert ist.

2. Methode
 Wir benutzen numerische Experimente mit idealisierten Anfangsbedingungen um den Einfluss eines Wirbelsturmes auf das Strömungsmuster der mittleren Breiten zu untersuchen. Als einfachste Darstellung der Strömung der mittleren Breiten wird ein geradliniger Strahlstrom verwendet. Von Süden nähert sich ihm ein Modellwirbelsturm und es kommt zur Wechselwirkung der beiden Systeme. Als realistischere Darstellung der mittleren Breiten wird in weiteren Experimenten der Strahlstrom anfänglich gestört, so dass der tropische Wirbelsturm mit einer sich entwickelnden baroklinen Welle in Wechselwirkung tritt. Der Vergleich mit der unbeeinflussten Entwicklung der Welle als Referenz bietet eine sehr gute Grundlage zur objektiven Diagnose und Quantifizierung des Einflusses des Wirbelsturmes auf die Entwicklung des baroklinen Lebenslaufes.
Als numerisches Modell dient das PSU/NCAR mesoskalige Modell MM5 mit Parametrisierungen für Wolkenphysik, Konvektion und Grenzschichtprozesse. Ein Nest mit höherer Auflösung umgibt den tropischen Wirbelsturm und folgt ihm während der Integrationszeit kontinuierlich. Die Anfangsbedingungen und die Gebietsanordnung sind in Abb. 1 illustriert.

Abb. 1: Linke Abbildung: Horizontalschnitt der Windgeschwindigkeit auf 500 hPa zur Illustration der Anfangsbedingungen. Rechte Abbildung: Vertikalschnitt von Süden nach Norden durch das Zentrum des Wirbelsturmes und die Jetachse, Windgeschwindigkeit (farbig), potentielle Temperatur (Konturen) und Lage der Tropopasue (dicke Konturlinie). Die Daten des Wirbelsturms werden anfangs ca. 2000 km südlich des Jetmaximums eingefügt.

3. Numerische Experimente
Nähert sich der tropische Wirbelsturm dem geradlinigen Jet an, so beobachtet man das erste klare Anzeichen einer Wechselwirkung in der oberen Troposphäre, wo die ausströmende Luft des Wirbelsturmes auf den Strahlstrom trifft. Der weitere Verlauf der Entwicklung ist für ausgewählte Zeitschritte in Abb. 2 dargestellt. Nach 120 h hat sich durch die Wechselwirkung ein lokales Maximum in der Windgeschwindigkeit des Strahlstroms (‚Jet Streak’) gebildet und ein Trog-Rücken Muster beginnt sich abzuzeichnen. 36 h später sind beide Merkmale nun deutlich ausgeprägt. Ein Bodentief beginnt sich unterhalb des linken Ausgangsbereiches des Jet Streaks zu bilden. In den nächsten 36 h verstärkt sich das Bodentief mit einem Druckfall von 20 hPa sehr schnell. Stromabwärts bildet sich an der Tropopause ein weiteres Rücken-Trog-Paar und löst die Entwicklung eines weiteren Bodentiefs aus. Am Ende der Simulation nach 240 h hat sich das Wellenmuster der oberen Troposphäre  fast über das gesamte Gebiet ausgebreitet und insgesamt die Entwicklung von 3 Tiefdruckgebieten ausgelöst.

Abb. 2: Potentielle Temperatur auf der dynamischen Tropopause (PVU=2, farbig), Bodendruck (weiße Konturen, alle 5 hPa) und Windgeschwindigkeit auf 200 hPa größer als 40 m/s (schwarze Konturen, alle 5 m/s) nach 120 h (a), 156 h (b), 192 h (c), und 240 h (d) Integrationszeit des Experiments mit dem geraden Jet. Die Achsenskalierung ist in Gitterpunkten.


Die Entwicklung nahe der Tropopause kann als Anregung eines Rossby-Wellenzugs (RWZ) durch das ET-System betrachtet werden. Die Ausbreitung dieses Wellenzuges kann in einem Hovmoller-Diagramm der meridionalen Windgeschwindigkeit auf 200 hPa dargestellt werden (Abb. 3). Nach Tag 4 kann man dort den RWZ erkennen. Das ET-System selbst bewegt sich nur langsam nach Osten, wohingegen sich die Energie der Rossby-Welle mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1500 km/Tag ausbreitet.

Abb. 3: Hovmoeller-Diagramm der meridionalen Windgeschwin-digkeit auf 200 hPa für das in Abb. 1 dargestellte Experiment (meridionales Mittel zwischen Gitterpunkt 60 und 120). Der durchgezogene Pfeil gibt die Bewegung des ET-Systems an, der gestrichelte die Ausbreitung des RWZ. Die Skalierung der x-Achse ist in Gitterpunkten.

In einem weiteren Experiment (Abb. 4) kommt es zur Wechselwirkung des tropischen Wirbelsturms mit einem sich entwickelndem Trog-Rücken-System. An der Flanke des Rückens bildet sich durch die Einwirkung der in der Höhe aus dem Wirbelsturm ausströmenden Luft einen ausgeprägter Jet Streak und die Bildung des nachfolgenden Troges sowie der damit verbundenen Entwicklung des Bodentiefs werden im Vergleich zum Lauf ohne Wirbelsturm bedeutend verstärkt und beschleunigt. In diesem Fall sieht man ebenfalls, dass sich der Einfluss des ET-Systems stromabwärts in Form eines verstärkten RWZ ausbreitet  (Abb. 5).

Abb. 4: wie Abb. 2, jedoch für ein ET-Experiment mit einer anfänglichen Störung des Strahlstroms nahe der Tropopause. Dargestellt sind die Zeiten 36 h (a) und 96 h (b).

Abb. 5: wie Abb. 3, jedoch für das Experiment aus Abb. 4, ohne (a) und mit (b) einem tropischen Wirbelsturm.


4. PV-Diagnostik
Wir benützen stückweise Inversion potentieller Vorticity (PV) um den Einfluss verschiedener physikalischer Prozesse auf die Anregung des RWT zu untersuchen. Durch diese Methode lässt sich das Strömungs- und Temperaturfeld bestimmen, das mit dem ET-System, dem Wellenmuster der oberen Troposphäre sowie Strukturen in der unteren und mittleren Troposphäre verbunden ist. Von den so gewonnen Windfelder kann ihr Anteil an der Anregung des RWZ ermittelt werden. Abb. zeigt die Advektion potentieller Temperatur auf der dynamischen Tropopause. Der Strömungsanteil, der mit dem ET-System verbunden ist, führt zu Warmadvektion in den Scheitel des Rückens und zu Kaltadvektion in den Scheitelpunkt des Troges. Dieses Advektionsmuster führt zu einer Verstärkung der Wellenstruktur. Die Strömung die mit dem Rücken-Trogmuster verbunden ist, führt zu Temperaturadvektion an den Seiten der Wellenstruktur und trägt nur zur Verschiebung der Welle bei. Die Rückkopplung der Temperatur- und PV-Anomalien in der unteren Troposphäre bleibt weitgehend gering.

Abb. 6: Advektion potentieller Temperatur (farbig) auf der Tropopause (PVU=2) verbunden mit der Strömung des ET-Systems (links) sowie der wellenförmigen PV-Anomalien in der oberen Troposphäre (rechts). Die Konturen zeigen die Verteilung der potentiellen Temperatur und die Windpfeile die Strömung, die mit der entsprechenden PV-Anomalie verbunden ist, jeweils auf Tropopausenhöhe. Die Skalierung der Windpfeile ist von Bild zu Bild verschieden. Die Achsenskalierung ist in Gitterpunkten und die Einheit der Advektion  der potentiellen Temperatur  ist 10-5 K/s.

Durch das Verständnis der physikalischen Prozesse, die zur Anregung des RWZ führen sowie dessen Ausbreitung bestimmen, erwarten wir einen Beitrag zur Verbesserung der Vorhersagbarkeit der eingangs angesprochenen schweren Wetterereignisse zu leisten. In diesem Sinne ist die Arbeit in das internationale Projekt ‚THORPEX, A World Weather Research Programme’ eingebunden.