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Seewindfronten in Australien: Flugzeuggestützte Messungen und Modellergebnisse

Abstracts / Zusammenfassungen Bonner Meteorologische Abhandlungen

Zusammenfassung BMA-Heft 49: Cäcilia Ewenz
Seewindfronten in Australien: Flugzeuggestützte Messungen und Modellergebnisse

Zwischen 1988 und 1994 wurden in Südaustralien Flugzeugmessungen von 14 Seewindzirkulationen und 4 Kaltfronten durchgeführt. Aus den zahlreichen Resultaten, siehe Kap. 2, stellt diese Arbeit die intensivste Messung (mit zwei Flugzeugen geflogen) vor. Die Auswertung ermöglicht die Darstellung von Vertikal- und Horizontalschnitten der wichtigsten meteorologischen Parameter im Bereich der Seewindfront, der Wärme- und Feuchtehaushalte, der Frontogeneseterme und speziell der Baroklinität im frontalen Feld. Küstenparallele Messungen zeigen eindrucksvoll das unterschiedlich weite landseitige Vordringen der Front entlang der sehr homogenen Küste.
Das komplette vier-dimensionale Feld der meteorologischen Größen läßt sich allerdings durch Messungen alleine nicht ableiten. Wichtige Fragen bleiben trotz des großen Messaufwandes offen. Dies führt zur Erweiterung der Studie auf numerische Simulationen, die mit Hilfe der Messungen validiert werden. Das verwendete Modell ist das nicht-hydrostatische Lokal Modell (LM) des Deutschen Wetterdienstes mit einer horizontalen Auflösung von etwa 2 km. Die simulierten Querschnitte zeigen eine gute Übereinstimmungen mit den Messergebnissen. Diese Fallstudien können so zur Beantwortung der folgenden offenen Fragen verwendet werden:

  • Das Anfangsstadium der Seewindzirkulation (''baby sea breeze''). Die Simulationen verdeutlichen klar, dass mit einem ablandigem Wind von 6 m/s die Zelle etwa 20 km über See entsteht.
  •   Die Struktur der gesamten Zirkulationszelle. Die numerischen Simulationen zeigen die komplette Entwicklung in Raum und Zeit. Dabei erscheint die Ausdehnung der Zelle über See, die stark vom ablandigen geostrophischen Wind abhängt, besonders interessant.
  • Die unterschiedliche Frontverlagerung ins Landesinnere entlang einer homogenen Küste. Nicht zu vernachlässigen ist eine unterschiedliche Propagationsgeschwindigkeit der Seewindfront je nach großskaligem Druckfeld.
  •  Die Rolle des synoptischen Antriebs. Speziell der geostrophische Wind und dabei dessen küstensenkrechte Komponente und die vertikale Änderung (thermischer Wind) spielen eine entscheidende Rolle in der Entwicklung der Seewindfront.

Abstract BMA-Heft 49: Cäcilia Ewenz
Seewindfronten in Australien: Flugzeuggestützte Messungen und Modellergebnisse

A total of 14 sea breeze circulations and 4 shallow cold fronts were investigated by airborne measurements between 1988 and 1994 in South Australia. Out of the numerous results, partly published elsewhere, this paper presents the analysis of one of the most intensive missions, flown with two aircraft. The results contain vertical and horizontal cross-sections of the frontal area, heat and moisture budgets and derivations of the frontogenesis terms. Of special interest appears the baroclinicity vector in the frontal field. At the very homogeneous and nearly straight coast the propagation speed of the front shows a distinct dependence on the along-coast coordinate.
The complete four-dimensional fields of the important meteorological quantities cannot be derived from measurements alone. Thus, despite of the large observational effort and the thorough analysis many problems could not be solved just by the experimental effort. Therefore the case study has to be extended by numerical simulations, which prove reliable compared with the observational results. The model used was the LM of the Deutscher Wetterdienst, which is non-hydrostatic and has a horizontal resolution of approximately 2 km. The simulated cross-sections compare quite well with the measured ones. Therefore the simulated fields could be used to find answers to the following open questions:

  • The initial development of the sea breeze cell (baby sea breeze). The simulations clearly show that with an offshore geostrophic wind of 6 m/s the initial circulation cell lies 20 km offshore over sea.
  •  The shape of the complete circulation cell. The simulations present the complete development in space and time. Most interesting appears the extension over sea, which largely depends on the offshore geostrophic wind.
  •  The along-coast dependancy of the front propagation at a homogeneous coast. It is by no means negligible and appears as dependant on the large scale pressure field.
  • The role of the synoptic scale field. Especially the geostrophic wind, its offshore component and its change with height play a decisive role.

Zusammenfassung BMA-Heft 50: Petra Friederichs
Interannuelle und dekadische Variabilität der atmosphärischen Zirkulation in gekoppelten und SST-getriebenen GCM-Experimenten

Diese Arbeit soll einen Beitrag zum Verständnis der gekoppelten Variabilität von Ozean und Atmosphäre in globalen Zirkulationsmodellen (GCM) leisten. Grundlage bildet eine 800-jährige Simulation mit dem Hamburger ECHAM3-T21/LSG, einem gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Meereis-GCM. Zur Abschätzung der SST-erzeugten Variabilität der atmosphärischen Zirkulation wurden zwei Ensemble des Atmosphären-GCM ECHAM3-T21 mit vorgeschriebener SST-Variabilität als untere Randbedingung untersucht. Dem einen Ensemble unterliegen die SST einer 100-jährigen Zeitscheibe aus der gekoppelten Simulation, dem anderen beobachtete SST von 1950-1994. Die SST des ECHAM3-T21/LSG zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Variabilität der tropischen SST stark unterschätzt wird, während die der extratropischen SST weitgehend im Bereich der Beobachtungen liegt.
Es werden die dekadische Variabilität in Verbindung mit der Variation der thermohalinen Zirkulation (THC) im Nordatlantik, die interannuelle bis dekadische Variabilität der nordhemisphärischen atmosphärischen Zirkulation in Verbindung mit extratropischen SST-Anomalien und die Variabilität der tropischen Atmosphäre in Verbindung mit tropischen SST-Anomalien untersucht.
Das ECHAM3-T21/LSG besitzt eine starke THC im Nordatlantik mit Variabilität hauptsächlich auf der dekadischen Zeitskala. Nach vorliegender Analyse stellt die Nordatlantik Oszillation (NAO) im gekoppelten ECHAM3-T21/LSG einen Antrieb für die THC dar, die mit einer etwa 10-jährigen Verzögerung reagiert. Die Reaktion der atmosphärischen Zirkulation wiederum auf die Variation der THC scheint jedoch bei weitem zu schwach, um die Hypothese einer sich selbst erhaltenden Oszillation zu untermauern.
Die mit den extratropischen SST gekoppelten Variationsmuster der atmosphärischen Zirkulation im euro-atlantischen Sektor im gekoppelten ECHAM3-T21/LSG sind nahezu identisch zu Beobachtungen. Die atmosphärische Zirkulation bildet auf der interannuellen Zeitskala den Antrieb für die extratropischen SST-Anomalien. Das SST-getriebene Variationsmuster jedoch lässt sich nicht auf lokale Prozesse reduzieren, sondern stellt ein globales (nordhemisphärisches) Zirkulationsmuster dar. Die nordhemisphärische Zirkulation (Bodendruck und Geopotential in 500 hPa) zeigt keine signifikanten Unterschiede in der Variabilität zwischen der gekoppelten Simulation und den angetriebenen Experimenten. Lediglich Hinweise auf die Ausbildung bevorzugter dekadischer Variabilität im gekoppelten Modell lassen sich beobachten.
Das ECHAM3-T21/LSG besitzt trotz der stark unterschätzten Varianz der SST im tropischen Pazifik eine ENSO-ähnliche Variabilität. Ein wesentlicher Teil der gekoppelten Variabilität in den Tropen lässt sich über SST-getriebene Erwärmungsmuster der tropischen Atmosphäre interpretieren. Einer besonderen Aufmerksamkeit und weitergehender Überprüfung bedarf die Tatsache, dass sich die Variabilität der SST-getriebenen tropischen Variationsmuster durch die Kopplung zu einem Ozean-GCM gegenüber den SST-getriebenen Simulationen deutlich reduziert.

Abstract BMA-Heft 50: Petra Friederichs
Interannuelle und dekadische Variabilität der atmosphärischen Zirkulation in gekoppelten und SST-getriebenen GCM-Experimenten

This study is aimed in improving the understanding of the coupled variability of the ocean and the atmosphere in GCM simulations. The analysis is based on an 800 year integration with the Hamburg ECHAM3-T21/LSG a coupled atmosphere ocean sea-ice GCM. To estimate the SST forced fraction of atmospheric variability two ensemble integrations with the atmosphere-only ECHAM3-T21 forced with prescribed SST were performed. To force the first ensemble the monthly mean SST and sea ice boundaries of a 100 year period of the coupled integration were selected as boundary conditions. For the second ensemble observed SST and sea ice boundaries for the period of 1950 to 1994 were used. The tropical SST of the coupled ECHAM-T21/LSG show a highly underestimated variability, while the extratropical SST variability compares well to observations.
Decadal variability associated with the thermohaline circulation (THC) in the northern Atlantic, interannual to decadal variability of the northern hemispheric atmospheric circulation associated with extratropical SST anomalies and variability of the tropical atmosphere associated with tropical SST variability were investigated.
The ECHAM3-T21/LSG shows a strong THC with pronounced spectral energy on the decadal to centennial time scale. The North Atlantic Oscillation (NAO) represents a forcing term of the THC with a 10 year time lag. The response of the atmospheric circulation on variations of the THC is too weak to support the theory a self sustained oscillation.
The coupled patterns of the extratropical SST and the atmospheric circulation of the Euro-Atlantic sector in the coupled ECHAM3-T21/LSG correspond to the coupled patterns in observational data. On the interannual time scale the extratropical SST were mainly forced by the atmospheric circulation. The SST forced anomaly pattern of the northern hemisphere cannot be reduced to locally defined processes but represents a globally forced pattern. The variability of the northern hemispheric extratropical circulation (sea level pressure and geopotential height) shows no significant differences between the coupled and the forced GCM simulations. There is evidence that decadal variability preferentially develops in the coupled model.
Despite the strongly underestimated tropical SST variability the ECHAM3-T21/LSG shows some ENSO-like variability. A large fraction of the forced tropical atmospheric anomalies can be explained in terms of SST forced heating patterns. Particularly the modes of tropical variability which are highly sensitive to SST variability show significantly enhanced variability in the forced simulation in contrast to the coupled simulation. This phenomenon has to be verified by other GCM experiments.


P. Rosen (rosen@uni-bonn.de)  Stand: April 2000

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