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AMMA: Der "Atlantic Inflow": Atmosphäre-Land-See Wechselwirkung am südwestlichen Rand des Sahara-Hitzetiefs

AMMA: Der "Atlantic Inflow": Atmosphäre-Land-See Wechselwirkung am südwestlichen Rand des Sahara-Hitzetiefs
Ansprechpartner:

, Prof. Dr. S. Jones

Projektgruppe:

Wettersysteme: Modellierung und Gefährdungsanalyse

Beschreibung

In dieser abgeschlossen Arbeit haben wir die Dynamik des Sahara-Hitzetiefs im Hinblick auf seine Wechselwirkung mit der Monsunströmung im Süden und der maritimen Grenzschicht im Westen untersucht. Dabei waren numerische Wettervorhersagen mit dem mesoskaligen COSMO-Modell (V3.19) das wichtigste Hilfmittel. Zur Unterstützung der Messkampagne GERBILS (GERB Intercomparison of Longwave and Shortwave radiation), die in Westafrika vom 18. bis 31. Juni 2007 stattfand, haben wir operationelle Wettervorhersagen mit dem COSMO-Modell durchgeführt. Hauptziel von GERBILS war die Untersuchung des Effekts auf die Thermodynamik im Gebiet des Südrandes der Sahara. Insgesamt wurden mit dem britischen Forschungsflugzeug FAAM BAe 146 sechs Forschungsflüge zwischen Niamey, Niger und Nouakchott, Mauretanien, durchgeführt.

Modellgebiet der COSMO GERBILS Vorhersagen

Abbildung 1: Modellgebiet der COSMO GERBILS Vorhersagen, der Ausschnitt in Farbschattierung zeigt die Modellorographie; der grau schattierte Bereich zeigt eine typische Oberflächentemperaturverteilung in Nordafrika.

Die COSMO Vorhersagen wurden auf dem Großrechner HP XC6000 des Steinbuch Centre for Computing (SCC) am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt (RZ-news 2007/03). Als Anfangs- und Randwerte wurden die Analysen und Vorhersagen des ECMWF benutzt. Die COSMO Vorhersagen wurden täglich um 00 UTC und 12 UTC gestartet und für 72h gerechnet. Das Modellgebiet umfasste ein Gebiet in Mauretanien und Mali, welches um die geplante Flugstrecke entlang von 18°N zentriert war (Abb. 1). Die horizontale Auflösung betrug 0,0625° und 35 Schichten in der Vertikalen wurden verwendet.

Die Güte der COSMO Vorhersagen wurde mit Hilfe der insitu Messungen des Flugzeuges und der Dropsonden geprüft.

 

 

 

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Abbildung 2: Die Flugzeugmessungen (schwarze Linie) und Dropsondenmessungen (rote Linie) wurden entlang der Flugstrecke interpoliert, um einen Querschnitt von potentieller Temperatur (oben) und spezifischer Feuchte (unten) zu erhalten. Die hier gezeigten Abbildungen zeigen diese Querschnitte auf der rechten Seite zusammen mit Querschnitten der entsprechenden Modeldaten auf der linken Seite. Man beachte, dass durch die Interpolation in Bereichen, in denen keine Daten vorliegen Artefakte entstehen. Dies ist insbesondere in unteren Schichten am westlichen Rand des Querschnitts der Fall.

Die Art der Messungen begründet einen Fokus auf den Wärme- und Wasserhaushalt. Der Vergleich zeigte, dass COSMO die vertikale Struktur der Atmosphäre korrekt wiedergibt. Verschiedene Teile des Westafrikanischen Monsuns, wie die Monsunschicht, die konvektive interne Grenzschicht, die Residualschicht und die Saharan Air Layer (SAL) werden in den richtigen Höhen vorhergesagt. Die horizontale Position dieser Schichten weicht leicht von den Messungen ab. Die Höhe der SAL ist bemerkenswert gut im Modell wiedergegeben. Dies führt neben anderen Einflüssen zu einer guten Vorhersage von Altocumulus-Bewölkung in der mittleren Troposphäre. Die potentielle Temperatur scheint im Model um ca. 1K zu hoch zu sein und das Mischungsverhältnis um 1g/kg zu trocken. Da in den COSMO Vorhersagen kein Staub vorkommt, kann das Modell die Feinschichtung (welche sich auch in meteorologischen Größen niederschlägt), die stark mit der Staubkonzentration verbunden ist nicht wiedergeben. Insgesamt zeigte die Modellvalidierung, dass die COSMO für die Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Entwicklung meteorologischer Systeme am südwestlichen Rand der Sahara geeignet ist.

Bei der Analyse der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der baroklinen Zone am Westrand des Saharahitztiefs entdeckten wir an der mauretanischen Küste ein komplexes mesoskaliges meteorologisches System mit ausgeprägtem Tagesgang, welches wir "Atlantic Inflow" nennen. Der "Atlantic Inflow" setzt sich zusammen aus der Seewindfront an der westlichen Atlantikküste Westafrikas, der baroklinen Zone am Übergang von Saharagrenzschicht bzw. Monsunschicht zur maritimen Grenzschicht an der Küste und Störungen in der mittleren und hohen Troposphäre, die durch eine induzierte Schwerewelle und eine ausgepräge Frontalzirkulation entstehen.

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Abbildung 3a: Skizze des Atlantic Inflow und seiner typischen Teilsysteme Abbildung 3b: Querschnitt der Vertikalgeschwindigkeit (blau: Aufsteigen, rot: Absinken), virtuellen potentiellen Temperatur und des Horizontalwindes entlang von 18°N

Ein starker horizontaler Temperaturgradient und ein Ansteigen der Windgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Winddrehung auf Westwind hinter der Front verdeutlicht die horizontale Erstreckung des Atlantic Inflow.

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Abbildung 4: Betrag des horizontalen Gradienten der virtuellen potentiellen Temperatur (grau schattiert und schwarze Linien alle 0.05 K/km), horizontaler Windvektor (schwarze Pfeile, m/s), und die 288 K Taupunktstemperatur Isotherme auf 950hPa.

 

Gegen 15 UTC bildet sich entlang der Küste eine stationäre Seewindfront. Um 18 UTC beginnt sich die Front in den unteren Schichten landeinwärts zu bewegen. Sie erreicht das Tagant-Plateau (mehr als 400km im Landesinnern) um ca. 2 UTC. Der Atlantic Inflow zeigt das weiteste landeinwärtige Vordringen südlich von 20°N und nördlich der Inter Tropical Discontinuity (ITD).

Im Westen Mauretaniens begünstigt das Gelände ein landeinwärtiges Vordringen von Wettersystemen. Südlich von 20°N erstreckt sich eine weite Küstenebene von der Küste bei ca. 16°W bis zum Fuße des Tagantplateau bei ca. 12°W. Mit einer Höhe von 400-600 m ü NN stellt dieses das erste orographische Hindernis hinter der Küste dar. Die Seewindfront entsteht aufgrund des großen Temperaturgradienten zwischen der Oberflächentemperatur des Atlantik und des Wüstensandes. Der kalte Kanarenstrom und aufsteigendes Tiefenwasser führen zu einer kalten Meeresoberfläche (22°C) und einer relativ kühlen Luftschicht an der mauretanischen Küste (Abb. 1). Die starke Einstrahlung am Tage heizt dagegen die Landoberfläche auf mehr als 45°C auf. Auf diese Weise entsteht ein starker Temperatur und Dichtegradient entlang der mauretanischen Küste. Die Untersuchung des Wärme- und Wasserhaushaltes zeigte jedoch, dass tagsüber turbulente Durchmischung durch starke trockene Konvektion über Land das landeinwärtige Vordringen der kühleren Luftmasse verhindert. Es entsteht ein Gleichgewicht zwischen Kaltluftadvektion vom Atlantik und Erwärmung durch turbulente Durchmischung über Land. Erst am späten Nachmittag, wenn die Einstrahlung nachlässt, überwiegt die Advektion und die bodennahe Front beginnt landeinwärts vorzudringen.

Die Analyse des Wärme- und Wasserhaushalts zeigte weiter, dass der Atlantic Inflow durch die Advektion feuchter, kühler Luftmassen einen bedeutenden Einfluss auf den regionalen Wärme- und Wasserhaushalt hat.

 

Für tiefergehende Informationen verweisen wir auf unseren Beitrag zum AMMA WP 2.1 Sonderband des QJRMS:

C. M. Grams, S. C. Jones, J. H. Marsham, D. J. Parker, J. M. Haywood, V. Heuveline, The Atlantic Inflow to the Saharan heat low: observations and modelling. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 136(s1), 125-140, doi:10.1002/qj.429 (http://www3.interscience.wiley.com/journal/122394603/abstract).