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Die simulierte axiale atmosphärische Drehimpulsbilanz des ECHAM3-T21 GCM,

Zusammenfassung

Diese Arbeit soll die dominanten Prozesse atmosphärischer Variabilität herausstellen, die effektiv die Rotationsgeschwindigkeit der Erde beeinflussen. Dabei gilt es besonders die physikalischen Zusammenhänge des Drehimpulsaustausches zwischen der Atmosphäre und den Subsystemen Ozean und fester Erde zu diagnostizieren und zu analysieren. Dies wird anhand einer Analyse der räumlich-zeitlichen Variabilität der simulierten atmosphärischen Drehimpulsbilanz erreicht.

Fünf Simulationen des ECHAM3-T21 globalen Zirkulationsmodells (GCM) sind mit beobachteten Monatsmitteln der Meeresoberflächentemperaturen (SST) und den Eisbedeckungsgraden für die Jahre von 1949 bis 1994 (GISST2.2-Datensatz) angetrieben worden. Dieses Ensemble ermöglicht mit Hilfe einer Varianzanalyse die Trennung der angetriebenen, prognostischen Variabilität (SST) von der modellinternen (natürlichen) Variabilität. Des Weiteren wird durch die Bildung des Ensemblemittels das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert, so dass eine Analyse von Prozessen, die in der Regel von starkem (weißen) Rauschen überlagert sind, durchgeführt werden kann.

Die dominante Variabilität des simulierten Drehimpulses liegt besonders im Frequenzbereich interannueller Perioden, die durch die El Nino Southern Oscillation (ENSO) hervorgerufen werden. Diese Variabilität ist signifikant kohärent mit beobachteten Erdrotationsdaten (Length of Day), wobei nur die strömungsbedingte Variabilität im globalen Mittel ausschlaggebend ist. Atmosphärische Massen werden nur lokal verlagert und tragen daher nicht direkt zu Rotationsschwankungen der Erde bei. Der strömungsgebundene Anteil der atmosphärischen Drehimpulsvariabilität unterliegt in diesem interannuellen Frequenzbereich meridionalen Propagationen von niedrigen zu hohen Breiten. Diese Propagation ist zusätzlich von der Länge der ENSO-Periode abhängig. Eine Waveletanalyse zeigt, dass sich die Drehimpulsvariabilität, hervorgerufen durch die ENSO, nicht stationär verhält. Zu den Zeiten mit ausgesprochen niederfrequenter ENSO-Variabilität (länger als 5 Jahre) kommt jene Propagation der Drehimpulsanomalien zum erliegen. Der Austausch des Drehimpulses zwischen Atmosphäre und fester Erde wird über zwei Drehmomente abgewickelt. Der sogenannte "Friction Torque" entsteht durch die Windreibung an der Erdoberfläche und der "Mountain Torque" wird durch die Druckgegensätze an der Orographie erzeugt. Letzterer wird auf der interannuellen Zeitskala signifikant vom Antrieb der Klimasimulationen beeinflusst. Der Friction Torque hingegen zeigt kaum eine Variabilität, die sich vom weißen Rauschen abhebt. Somit wird die SST-induzierte Variabilität des Drehimpulses überwiegend über den Mountain Torque zwischen Atmosphäre und fester Erde transferiert.

Die räumlich-zeitliche Analyse der Drehmomente zeigt allerdings eine komplexe räumliche Variabilität. So besitzen die Mountain Torque Anomalien unterschiedliche Vorzeichen an den verschiedenen wichtigsten Gebirgszügen. Somit können die entscheidenden Regionen, in denen der Drehimpuls auf der interannuellen Zeitskala ausgetauscht wird, nur qualitativ bestimmt werden. Eine große Bedeutung kommt den Rocky Mountains und dem Himalaya, aber auch den Anden und Grönland zu.

Die Validierung mit den Daten der NCEP-Reanalyse deckt einige Probleme der Diagnose der Drehimpulsbilanz auf. Während die Variabilität der simulierten Drehimpulse im Wesentlichen der "beobachteten" Variabilität ähnelt, zeigen die jeweiligen Drehmomente große Unterschiede. Diese Problematik wird ebenfalls in dieser Arbeit diskutiert.

Abstract

This study highlights the dominant processes of atmospheric variability which effectively affects the velocity of Earth rotation. Thereby, it is the purpose to diagnose and analyse particularly the physical connections of the exchange of angular momentum between the atmosphere and the subsystems, the oceans and the solid Earth. This will be obtained by an analysis of the spatio-temporal variability of the simulated atmospheric angular momentum budget.

Five simulations with the ECHAM3-T21 global circulation model (GCM) were forced by monthly means of observed sea surface temperatures (SST) and the global ice coverage for the period from 1949 to 1994 (GISST2.2 data set). With the help of an analysis of variance, this ensemble enables the separation of the forced, prognostic variability (SST) from the model internal (natural) variability. Furthermore the signal-to-noise-ratio will be improved by the evaluation of the ensemble mean. Therefore it is possible to perform an analysis of processes which are usually superimposed by (white) noise.

The dominant variability of the simulated angular momentum is particularly situated on frequencies at interannual time scales which is mainly produced by the El Nino Southern Oscillation (ENSO). This variability is significantly coherent with observed Earth rotation data (Length of Day), whereas only the wind-driven variability contributes to the global mean. Atmospheric masses will be only locally redistributed and, therefore, they did not contribute directly to variations of Earth rotation. The wind-driven part of the atmospheric angular momentum variability is subject to a meridional propagation from low to high latitudes in this frequency range. Additionally this propagation is dependent on the ENSO-period. A Wavelet analysis shows a non-stationary behaviour of the angular momentum variability of the ENSO. At times with very low-frequent ENSO variability (longer than 5 years) those propagation of angular momentum anomalies disappears.

The exchange of angular momentum between the atmosphere and solid Earth are processed by two torques. The Friction Torque develops by the wind friction at the Earth's surface and the Mountain Torque by pressure differences near the orography. On the interannual timescale, the latter is significantly influenced by the forcing of the climate simulations. The friction torque barely shows any variability that is distinguishable from white noise. Thus, the SST-induced variability of the angular momentum is predominantly transferred via mountain torque between atmosphere and solid Earth. The spatio-temporal analyses of the torques indeed offer a complex spatial variability. For instance the mountain torque anomalies have different signs at the various most important mountain ranges. Consequently, the crucial regions for exchanging the angular momentum on interannual timescales could only qualitatively be specified. A great prominence comes up to the Rocky Mountains and the Himalaya but also to the Andes and Greenland.

The validation with the NCEP-Reanalyses reveals such problems in the diagnostics of the angular momentum budget. While the variability of the simulated angular momentum is substantially similar to the observed variability, the respective torques show large differences. This difficulty will also be discussed in this work.

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